動力電池卷繞及性能缺陷和解決策略

典型的鋰離子電池制造流程通?？煞譃槿蠊ば颍ㄈ缦聢D）：電極制造、裝配過程和電芯檢測，但也有公司將其只劃分為兩大工序：卷繞前工序和卷繞后工序，這一分界點就是卷繞工序，這是因為卷繞過程具有很強的集成功能，使電池外觀初露雛形，因此卷繞過程充當(dāng)了鋰離子電池制造過程樞紐的角色，是鋰電池制造過程的關(guān)鍵工序，卷繞工序生產(chǎn)的卷芯通常被稱作裸電芯（Jelly-Roll，簡稱JR）。

典型的鋰離子電池制造流程



下圖是卷芯卷繞過程示意圖，具體做法是將正極片、負極片和隔離膜通過卷繞機的卷針機構(gòu)卷制在一起，相鄰的正負極片之間被隔離膜隔絕，避免短路，卷繞完成后，通過收尾膠紙進行固定防止卷芯散開，然后流轉(zhuǎn)到下一工序。在這一過程的重中之重就是要確保正負極之間不發(fā)生物理接觸短路，并且負極片橫、縱兩個方向都能完全包覆住正極片。

卷繞過程示意圖



鋰電池卷芯的卷繞過程一般是先用兩卷針夾緊兩層隔膜進行預(yù)卷，然后依次送入正極片或負極片，極片分別夾在兩層隔膜之間進行卷繞。在卷芯縱向方向，隔膜超出負極膜片，負極膜片超出正極膜片，防止正、負極片之間接觸短路。

卷針夾緊隔膜示意圖

卷芯的卷繞過程通過卷繞機實現(xiàn)。卷繞機的主要組成部分及其功能包括：

1）極片供給系統(tǒng)

分別將正、負極片沿著導(dǎo)軌輸送到兩層隔膜的A-A面和B-B面之間，實現(xiàn)極片的供給；

2）隔膜放卷系統(tǒng)

包括上隔膜和下隔膜，實現(xiàn)隔膜到卷針的自動連續(xù)供給；

3）張力控制系統(tǒng)

實現(xiàn)卷繞過程中隔膜的恒張力控制；

4）收尾貼膠系統(tǒng)

對卷繞后的卷芯進行貼膠固定；

5）卸料傳輸系統(tǒng)

將卷芯從卷針上自動拆卸，然后掉落到自動傳輸帶上；

6）腳踏開關(guān)

當(dāng)無任何異常時，踩下腳踏開關(guān)控制卷繞正常進行；

7）人機交互界面

實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、手動調(diào)試、報警提示等功能。

從以上卷繞過程分析可知，電芯卷繞包括兩個不可避免的過程：推針和抽針。

推針過程：兩卷針在推針氣缸作用下伸出，分別穿過隔膜兩側(cè)，然后兩卷針組合形成的針頭圓柱體正好插入軸套中，卷針合攏夾持隔膜，同時，兩卷針合并后形成一個基本對稱的規(guī)則形狀作為卷芯的內(nèi)核。

推針過程示意圖

抽針過程：卷芯卷繞完成后，兩卷針在抽針氣缸作用下縮回，針頭圓柱從軸套中退出，卷針裝置中的滾珠在彈簧作用下使卷針閉合，兩卷針相向卷繞，卷針的自由端尺寸變小，在卷針和卷芯內(nèi)表面之間形成一定間隙，隨著卷針相對擋套縮進，實現(xiàn)卷針和卷芯的順利分離。

抽針過程示意圖

上述的推針和抽針中的“針”即指卷針，作為卷繞機的核心零部件，卷針影響著卷繞速度和卷芯質(zhì)量，目前大部分卷繞機采用圓形、橢圓形和扁菱形卷針，對于圓形和橢圓形卷針，由于存在一定弧度，會造成電芯的極耳變形，在隨后的壓芯過程中，還容易造成電芯內(nèi)部起皺變形，對于扁菱形卷針，由于其長軸和短軸尺寸相差較大，極片和隔膜張力變化較大，需要驅(qū)動電機變轉(zhuǎn)速卷繞，過程難以控制，卷繞速度一般較低。

常見卷針示意圖

以最復(fù)雜且最常見的扁菱形卷針為例進行簡要介紹，在其卷繞旋轉(zhuǎn)過程中，正、負極片和隔膜總是以B、C、D、E、F、G六個邊角點作為支撐點進行包繞。

扁菱形卷針旋轉(zhuǎn)示意圖

因此，可以將卷繞過程拆分為分別以O(shè)B、OC、OD、OE、OF、OG為半徑的分段卷繞，即只需分析以下θ0、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7之間七個角度范圍內(nèi)線速度的變化情況就可以完全定量描述卷針周期性的轉(zhuǎn)動過程。

卷針旋轉(zhuǎn)不同角度示意圖

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，容易推導(dǎo)出如下關(guān)系式：



從上述方程式可以容易看出，當(dāng)卷針以恒定角速度卷繞時，卷繞的線速度和卷針支撐點與正、負極片和隔膜之間形成的角度是分段函數(shù)關(guān)系，通過Matlab仿真二者之間的圖像關(guān)系如下：

不同角度位置卷針線速度變化情況

由此可以直觀的看出，圖例中扁菱形卷針卷繞過程中最大線速度和最小線速度之比可高達10倍以上，如此大的線速度變化將給正、負極片和隔膜的張力帶來很大的波動，這便是卷繞張力波動的最主要原因。 過大的張力波動可能導(dǎo)致卷繞過程中隔膜被拉伸，卷繞完成后隔膜收縮，壓芯后卷芯內(nèi)部拐角處層間距較小，在充電過程中，極片膨脹導(dǎo)致卷芯寬度方向應(yīng)力不集中，產(chǎn)生彎矩，造成極片扭曲，所制備的鋰電池最終出現(xiàn)“S”變形。

目前通常通過變張力卷繞和變轉(zhuǎn)速卷繞兩種方法來解決由于卷針形狀引起的卷芯質(zhì)量不良問題（主要是變形問題）。

1）變張力卷繞

以圓柱電池為例，在恒定的角速度下，線速度隨著卷繞層數(shù)的增加而增加，導(dǎo)致張力越來越大。變張力卷繞即指通過張力控制系統(tǒng)將施加于極片或隔膜上的張力隨著卷繞層數(shù)的增加而線性的減少，從而在恒轉(zhuǎn)速的情況下，仍然可以使整個卷繞過程盡可能保持恒定的張力。 通過大量的變張力卷繞實驗，得出如下結(jié)論： a.卷繞張力越小對卷芯變形改善越好； b.恒轉(zhuǎn)速卷繞過程中，隨著卷芯直徑增加，張力線性減小比恒定張力卷繞的變形風(fēng)險更低。

2）變轉(zhuǎn)速卷繞

以方形電池為例，通常采用扁菱形卷針，當(dāng)卷針以恒定角速度卷繞時，根據(jù)以上分析可知，其線速度波動很大，導(dǎo)致卷芯內(nèi)部拐角處層間距相差較大，此時，需要根據(jù)線速度變化情況反向推導(dǎo)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，即卷繞的轉(zhuǎn)速隨著角度的變化而變化，實現(xiàn)卷繞過程線速度波動盡可能小，從而保證張力在小幅值范圍內(nèi)波動。

總之，卷針形狀可能影響極耳平整度（卷芯良率和電性能）、卷繞速度（生產(chǎn)效率）、卷芯內(nèi)部應(yīng)力均勻性（外觀變形問題）等，對于圓柱形電池，通常選用圓形卷針，而對于方形電池，通常選用橢圓形或扁菱形卷針（某些情況也可以采用圓形卷針卷繞，將卷芯壓扁形成方形卷芯）。

另外，大量的實驗數(shù)據(jù)表明，卷芯質(zhì)量對最終成品電池的電化學(xué)性能和安全性能具有重要影響。基于此，我們梳理了鋰電池卷繞過程的一些重要的關(guān)注焦點和注意事項，形成了《鋰電池卷繞指南》，期望盡可能規(guī)避卷繞過程中的不正確操作，從而制造出符合質(zhì)量要求的鋰電池。



為了更加直觀地表征卷芯缺陷，可以將卷芯浸入AB膠環(huán)氧樹脂中固化，然后切割截面并用砂紙拋光，最好將制備地樣品放在顯微鏡或掃描電鏡下觀察，從而可以獲取卷芯內(nèi)部缺陷圖譜。 卷芯內(nèi)部缺陷圖譜（圖源：鋰想生活）



(a)圖是合格卷芯，內(nèi)部無明顯缺陷； (b)圖可以明顯看到極片發(fā)生了扭曲變形，這可能與卷繞張力有關(guān)系，張力過大導(dǎo)致極片褶皺，這種缺陷會導(dǎo)致電池界面變差，析鋰，從而劣化電池性能； (c)圖是電極和隔膜之間存在異物，這種缺陷可能導(dǎo)致自放電嚴重，甚至可能產(chǎn)生安全問題，但在Hi-pot測試中通?？梢詸z出； (d)圖電極存在陰陽面的缺陷譜圖，可能導(dǎo)致電池低容或析鋰； (e)圖電極內(nèi)部混入了粉塵，可能導(dǎo)致電池自放電加劇。 除此之外，卷芯內(nèi)部的缺陷也可以通過無損檢測表征，如常用的X-ray和CT檢測，下面簡單介紹一些常見的卷芯工藝缺陷：

1、極片覆蓋不良

局部地方負極片沒有完全包覆住正極片，可能導(dǎo)致電池變形和析鋰，產(chǎn)生安全隱患。

2.極片變形

極片受到擠壓而變形，可能引起內(nèi)短路，帶來嚴重的安全問題。

值得一提的是，2017年轟動一時的三星note7手機爆炸案調(diào)查結(jié)果正是歸因于電池內(nèi)部負極片受到了擠壓而造成內(nèi)短路，從而引起了電池爆炸，這一事故導(dǎo)致三星電子損失超60億美元。

3.金屬異物

金屬異物是鋰離子電池的性能殺手，可能來源于漿料、設(shè)備或環(huán)境中，顆粒較大的金屬異物可能直接造成物理短路，而當(dāng)金屬異物混入正極后，會被氧化然后沉積在負極表面，刺穿隔膜，最終也會造成電池內(nèi)短路，帶來嚴重的安全隱患，常見的金屬異物有Fe、Cu、Zn、Sn等。

鋰電池卷繞機是用來卷繞鋰電池電芯的,是一種將電池正極片、負極片及隔膜以連續(xù)轉(zhuǎn)動的方式組裝成芯包(JR:JellyRoll)的機器。 國內(nèi)卷繞制造設(shè)備始于2006年，從半自動圓形、半自動方形卷繞、自動化制片開始，之后是組合自動化,制片卷繞一體機,激光模切卷繞一體機，陽極連續(xù)卷繞機，隔膜連續(xù)卷繞機等。

卷繞的原理

（1）卷繞機原理

卷繞機有正、負極送料單元，將正極、負極和隔膜卷繞在一起的機構(gòu)叫卷針。

按照電池芯的形狀主要分為方形和圓柱形電池電芯卷繞機，一般卷繞設(shè)備采用兩副或以上卷針、單側(cè)抽針的結(jié)構(gòu)。卷繞機的主要機構(gòu)有：正負極極片和隔膜主動放卷、極片和隔膜換卷、自動糾偏、自動張力檢測與控制。極片由夾輥驅(qū)動機構(gòu)引入卷針部分，與隔膜一同按照工藝要求進行卷繞。

卷繞完成后自動換工位、切斷隔膜和貼終止膠帶，成品裸電芯自動下料后，經(jīng)過預(yù)壓、掃碼，良品成品裸電芯自動轉(zhuǎn)移到托盤中再轉(zhuǎn)移到后工序。不良品裸電芯自動卸料到不良品裸電芯收集處。卷繞的工藝流程如下圖：



卷繞設(shè)備工藝流程圖

（2）卷繞機理說明

①預(yù)卷繞：正負極片初始送極片過程，該過程中正負極片在送極片機構(gòu)夾持極片以一定的速度送入卷針，需要控制卷針的旋轉(zhuǎn)角和速度與送極片機構(gòu)相匹配。該過程涉及兩個同步：隔膜的放卷速度與卷針?biāo)俣鹊耐剑蜆O片速度與卷針的速度同步。

②卷繞過程：在完成了正負極片初始送極片過程后，正負極片被隔膜裹緊，并繞卷針纏繞，后續(xù)轉(zhuǎn)動卷針即可實現(xiàn)連續(xù)卷繞。該過程中通過檢測料卷的張力大小調(diào)整極片放料電機的放料速度，來保證卷繞過程中料卷的的恒定張力。



卷繞過程示意圖

預(yù)卷繞中的控制問題屬于開環(huán)控制問題，卷針、隔膜和極片兩兩之間是否真正的同步?jīng)]法準(zhǔn)確測量，這就要求我們建立準(zhǔn)確的卷繞控制模型，尤其是對于尺寸較大的電池的卷繞要求更高。卷繞中料帶張力，可以在控制中采用閉環(huán)反饋控制技術(shù)。

另外，卷繞過程中，我們實際控制的是卷繞電機轉(zhuǎn)動的速度，而實際速度是各料卷以及卷針卷繞實際半徑的函數(shù)，該半徑是動態(tài)變化的。目前，在沒有實際傳感器測量的情況下，我們假設(shè)料卷一次上料后卷芯逐步增大，中間半徑的變化規(guī)律完全符合阿基米德螺旋線定律。初始卷料半徑通過程序預(yù)先設(shè)定。

③卷繞過程動態(tài)控制模型：由于預(yù)卷繞過程屬于開環(huán)控制，準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是卷繞控制系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。尤其是對于極片的線速度大于1m/s時，準(zhǔn)確的卷繞模型是控制卷繞張力的穩(wěn)定，是卷繞質(zhì)量控制的關(guān)鍵核心。

④電芯高質(zhì)卷繞：電芯高質(zhì)量卷繞的核心問題是卷繞電芯的隔膜、極片貼合均勻，表現(xiàn)為沒有間隙，而且電池使用過程中隔膜和極片相互間在各個方向保持接觸應(yīng)力均勻一致。 這對卷繞機提出兩個方面的要求，一是：卷芯抽卷針后依然保持貼合應(yīng)力的一致，這樣對卷針輪廓形狀的設(shè)計非常重要，尤其是方形卷繞電池，要保證卷繞抽針后極片和隔膜的貼合應(yīng)力均勻，卷繞輪廓曲線必須是一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的封閉曲線，判斷原則是曲線不斷，平滑無尖角。其次是：隔膜、極片進入卷針時，在卷針切線的母線方向，張力是一致的，這要求隔膜極片的糾偏幅度不應(yīng)該太大，應(yīng)該保證在隔膜、極片彈性范圍內(nèi)的一個限值。

⑤方形卷繞電芯的GAP問題

?

即使方形電芯的卷針曲線是一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的封閉曲線，壓扁后極片、隔膜沒有間隙，但在電池的充放電過程中，因為極片膨脹和收縮程度的不一致，會導(dǎo)致極片間的間隙隨著充電循環(huán)逐步變大，當(dāng)此處的電解液不富裕時，鋰離子不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，將影響容量的發(fā)揮，長時間的使用會帶來析鋰安全問題。并且，隨著能量密度提升的要求，負極逐步導(dǎo)入硅負極體系，由于硅負極極片膨脹大，卷繞方式的極組容易出現(xiàn)內(nèi)圈極片斷裂，影響電池使用壽命，限制了硅材料添加量。建議采取的辦法是注液時適當(dāng)增加富裕的電解液。

卷繞的特點

依據(jù)卷繞機的自動化程度可以劃分為手工、半自動、全自動和一體機等類型。按照制作的芯包大小可以劃分為小型、中型、大型、超大型等。

卷繞卷芯的特點如下： 極片、隔膜連續(xù)一體，制造效率高； 卷繞只有兩條邊，邊緣少，極片完整，便于控制毛刺； 生產(chǎn)控制簡單，操作容易，控制難度低； 不宜卷太厚、層間互相影響，容易變形； 極片柔性要求高； 極片橫向張力不一致，內(nèi)部可能產(chǎn)生間隙，貼合應(yīng)力難以均勻； 極片膨脹帶來GAP問題、難以實現(xiàn)高質(zhì)量。

卷繞機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

設(shè)備主要模塊包括：極片/隔膜自動放卷模塊，極片/隔膜換卷模塊，自動糾偏模塊，導(dǎo)輥模塊，極耳導(dǎo)向撫平模塊，主驅(qū)模塊，張力控制模塊，張力測量/顯示與儲存模塊，極片入料模塊，隔膜除靜電裝置，極耳打折/翻折及極片破損檢測模塊，CCD在線檢測模塊，極片切斷模塊，除塵系統(tǒng)，極片和隔膜不良品單卷與剔除模塊，卷繞頭組件，隔膜切斷模塊，隔膜吸附模塊，貼終止膠帶模塊，自動卸料模塊，裸電芯預(yù)壓模塊，下料模塊，設(shè)備框架和大板模塊。



卷繞機布局示意圖

卷繞機的發(fā)展趨勢

①高速、高精度：卷繞極片的線速度由現(xiàn)有的2-3m/s發(fā)展到4-5m/s，卷繞極片對齊精度由現(xiàn)有的±0.3mm提升至±（0.1-0.2）mm。

②高合格率：CPK由1.33到1.67，最終發(fā)展到2.0以上，達到免檢水平。

③穩(wěn)定性：提升平均無故障時間，由現(xiàn)有幾十、幾百小時提升至千、萬小時的水平。

④設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化、智能化控制：卷繞張力、極片與隔膜的對齊度實現(xiàn)在線監(jiān)控，卷繞參數(shù)和最終電池性能參數(shù)實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化，實現(xiàn)卷繞合格率提升。

⑤激光模切卷繞一體化：激光模切與卷繞工序結(jié)合實現(xiàn)設(shè)備集成一體化。

⑥高速卷繞機：通過隔膜連續(xù)卷繞技術(shù)的突破，實現(xiàn)卷繞效率的倍增。

基于多年的技術(shù)沉淀和積累，卷繞工藝在生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)工藝、效率、成本等方面都具有明顯的優(yōu)勢，但在車規(guī)級動力電池對于標(biāo)準(zhǔn)化、大容量和大尺寸的需求趨勢下，卷繞工藝已經(jīng)開始“力不從心”。如何提升卷繞的質(zhì)量是行業(yè)面臨的核心問題。





審核編輯：劉清