电池制作工艺：卷绕工序

卷绕工序

电池卷绕工艺，指的是利用电力将电池片连续的卷绕，形成一个完成的电池片卷绕体的工艺过程。主要步骤有：

1）电池片的组装——将电池片根据一定的结构形式进行拼接，组装成一个完整的正规格形状的电池片。

2）电池片压缩——采用恒压力压缩设备，使电池片保持一定的压缩状态，达到提升组装性能的目的。

3）电池卷绕——根据客户所需的规格，选用适当的卷绕宽度，调整电池片的温度，将电池片卷绕成一个完整的卷绕体，以确保安全性。

卷绕机的组成及功能

卷芯的卷绕过程通过卷绕机实现。参考下图，卷绕机的主要组成部分及其功能包括：

1）极片供给系统分别将正、负极片沿着导轨输送到两层隔膜的A-A面和B-B面之间，实现极片的供给；

2）隔膜放卷系统包括上隔膜和下隔膜，实现隔膜到卷针的自动连续供给；

3）张力控制系统实现卷绕过程中隔膜的恒张力控制；

4）收尾贴胶系统对卷绕后的卷芯进行贴胶固定；

5）卸料传输系统将卷芯从卷针上自动拆卸，然后掉落到自动传输带上；

6）脚踏开关当无任何异常时，踩下脚踏开关控制卷绕正常进行；

7）人机交互界面实现参数设定、手动调试、报警提示等功能。

**常见不良及改善方向

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1）“S”变形

问题描述：

过大的张力波动可能导致卷绕过程中隔膜被拉伸，卷绕完成后隔膜收缩，压芯后卷芯内部拐角处层间距较小，在充电过程中，极片膨胀导致卷芯宽度方向应力不集中，产生弯矩，造成极片扭曲，所制备的锂电池最终出现“S”变形。

改善方向：

①以圆柱电池为例，卷绕张力越小对卷芯变形改善越好；恒转速卷绕过程中，随着卷芯直径增加，张力线性减小比恒定张力卷绕的变形风险更低。

②以方形电池为例，通常采用扁菱形卷针，需要根据线速度变化情况反向推导转速的变化规律，即卷绕的转速随着角度的变化而变化，实现卷绕过程线速度波动尽可能小，从而保证张力在小幅值范围内波动。

“S”变形CT图和拆解图

2）极片覆盖不良

问题描述：

局部地方负极片没有完全包覆住正极片，可能导致电池变形和析锂，产生安全隐患。

改善方向：

①设备：可能与纠偏卡顿，夹轮不平行，基准线位置偏等相关；

②物料：可能与正极边缘卷相关。

3）极片变形

问题描述：

极片受到挤压而变形，可能引起内短路，带来严重的安全问题。

4）金属异物

问题描述：

金属异物是锂离子电池的性能杀手，可能来源于浆料、设备或环境中，颗粒较大的金属异物可能直接造成物理短路，而当金属异物混入正极后，会被氧化然后沉积在负极表面，刺穿隔膜，最终也会造成电池内短路，带来严重的安全隐患，常见的金属异物有Fe、Cu、Zn、Sn等。

改善对策：

①浆料除磁把控（干法、湿法除磁）；

②粉尘管控（卷绕机安装吸尘管道装置）。

5）OEE提升改善

问题描述：

性能稼动率：小报警损失效率（小报警频次高）；

时间稼动率：固定停机时间长（转班保养需要停机等）；

故障时间长（异常处理经验不足、维护保养不到位、丝杆维护难度大）；

产品良率：不良项目多；单项不良率高（组装制程不良）；设别老旧：零部件寿命周期不确定。

改善对策：

①CCD报警（人员培训，电气线路、结构改善）；

②入卷不良（入料通道结构优化，辅助入料机构改造）；

③极耳破损（极耳抚平机构优化）；

④电源线、气管在机构运动容易磨损（更换频繁；线路干涉，拆卸结构，重新整改电气线路。把限位开关内的线从侧面的通孔处穿过，重新走线；将尼龙布套包裹线束，防止磨损；）

锂电池卷绕电芯内部缺陷图谱

卷绕：即把激光切好后的极片，通过卷针的转动，把极片卷成一个层层包裹的卷芯状，正常包裹方式为隔膜，正极，隔膜，负极，涂胶隔膜面对着正极。如果出现不良品，整个卷芯包括的正负极极片和隔膜都浪费了，良品率对电池制造成本影响比较大，而且影响电池性能和安全性。关于卷绕电芯内部缺陷，我们整理了一些相关资料，感兴趣的小伙伴可以学习学习，也欢迎大家积极参与我们的知识分享。

**卷芯内部缺陷

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一般地，常见卷芯内部缺陷图谱如下图所示，每张图谱里面都包含正极极片、隔膜和负极极片。

图1 卷芯内部缺陷图谱

其中，第一排（a）是正常图谱，内部没有缺陷。

第二排（b）三张照片出现极片弯曲变形的情况，这种情况可能是卷绕工艺中张力没有控制好，极片弯折。这种缺陷会导致电池极片在充放电反复膨胀与收缩时出现大量褶皱，限制容量发挥，可能出现析锂等问题。

第三排（c）的缺陷是隔膜上存在金属异物，金属异物可能是极片制备或转运过程引入的，比如极片辊压、裁切等工艺。也可能卷绕工艺极片切断产生的箔材碎屑。金属异物会导致电池内部微短路，自放电严重，并存在安全隐患。一般检出方法主要包括电芯绝缘耐电压测试，高温老化监测自放电k值判定不合格品。

第四排（d）的问题主要是涂层不均匀，包括两面厚度不同的阴阳面，单侧没有涂层等。这个缺陷主要是涂布工艺产生的，或者极片制备工艺中出现的涂层脱落。一般极片辊压，分切工艺都会设置CCD检测，缺陷极片做好标记，在卷绕工艺裁切剔除不良品。但是，无法100%保证剔除不良品。如果出现这种情况电池容量损失，而且出现正负极容量不匹配导致析锂等问题。

第五排（e）的缺陷是内部存在粉尘等非金属异物，这种情况危害虽然没有金属异物严重，但是也会影响电池性能，尺寸比较大时也可能导致隔膜破解，正负极微短路的情况。

以上图谱获取的方法如下：将整个卷芯埋入A、B胶环氧树脂中，固化保持卷芯内部结构特征。切割截面，并用砂纸打磨，抛光制作样品，采用扫描电镜观察。获取大量照片，从中找出了这些缺陷图谱。

**极片断裂

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图2 卷心内部极片断裂图示

卷绕电芯在拐角处还可能出现极片断裂的情况。极片太脆，厚度较大特别容易出现断裂情况。