卷針形狀對(duì)卷芯質(zhì)量的影響

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(jìn)行預(yù)卷，然后依次送入正極片或負(fù)極片，極片分別夾在兩層隔膜之間進(jìn)行卷繞。在卷芯縱向方向，隔膜超出負(fù)極膜片，負(fù)極膜片超出正極膜片，防止正、負(fù)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(jī)實(shí)現(xiàn)。參考上圖，卷繞機(jī)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(fù)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(shí)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(shí)現(xiàn)隔膜到卷針的自動(dòng)連續(xù)供給；

3）張力控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)卷繞過程中隔膜的恒張力控制；

4）收尾貼膠系統(tǒng)

對(duì)卷繞后的卷芯進(jìn)行貼膠固定；

5）卸料傳輸系統(tǒng)

將卷芯從卷針上自動(dòng)拆卸，然后掉落到自動(dòng)傳輸帶上；

6）腳踏開關(guān)

當(dāng)無任何異常時(shí)，踩下腳踏開關(guān)控制卷繞正常進(jìn)行；

7）人機(jī)交互界面

實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)調(diào)試、報(bào)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(gè)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(shí)，兩卷針合并后形成一個(gè)基本對(duì)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(duì)擋套縮進(jìn)，實(shí)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(jī)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(jī)采用圓形、橢圓形和扁菱形卷針，對(duì)于圓形和橢圓形卷針，由于存在一定弧度，會(huì)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(duì)于扁菱形卷針，由于其長(zhǎng)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(dòng)電機(jī)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(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，在其卷繞旋轉(zhuǎn)過程中，正、負(fù)極片和隔膜總是以B、C、D、E、F、G六個(gè)邊角點(diǎn)作為支撐點(diǎn)進(jìn)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θ 0、 θ 1、 θ 2、 θ 3、 θ 4、 θ 5、 θ6、θ7之間七個(gè)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(dòng)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(shí)，卷繞的線速度和卷針支撐點(diǎn)與正、負(fù)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(dá)10倍以上，如此大的線速度變化將給正、負(fù)極片和隔膜的張力帶來很大的波動(dòng)，這便是卷繞張力波動(dòng)的最主要原因。

過大的張力波動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

a.卷繞張力越小對(duì)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(xiǎn)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(shí)，根據(jù)以上分析可知，其線速度波動(dòng)很大，導(dǎo)致卷芯內(nèi)部拐角處層間距相差較大，此時(shí)，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(shí)現(xiàn)卷繞過程線速度波動(dòng)盡可能小，從而保證張力在小幅值范圍內(nèi)波動(dòng)。

結(jié)論：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(duì)于圓柱形電池，通常選用圓形卷針，而對(duì)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）。