锂离子电池的卷绕工艺是其生产中的核心步骤。在这一过程中，正负极片、隔膜、正负极耳、保护胶带以及终止胶带等关键材料被精确地固定在各自的放料轴上。设备随后执行一系列自动操作，如自动放卷、纠偏定位、正负极耳的焊接、保护胶带的贴覆、电芯的卷绕、终止胶的贴附，以及将成品电芯输送到传送带上。这种自动化的生产方式不仅确保了电芯的卷绕过程一次性完成，而且显著减少了人为干预和极片在过程中的损伤，从而提升了电芯的整体装配质量。

对于卷绕机技术而言，张力控制、电芯/极耳的对齐度以及切位毛刺的处理一直是行业内的技术挑战，也是各大卷绕机设备制造商持续努力提升和突破的关键方向。

具体来说，卷绕机的工作原理包括两个主要阶段：

• 预卷绕阶段：这是正负极片初步送入的过程。在此过程中，送极片电机以恒定的速度控制正负极片的送料速度，同时确保卷针的旋转角速度与送极片速度相匹配。这一阶段涉及六个电机，并需要实现两类关键的同步：首先是隔膜的放卷速度与卷针速度的同步，其次是送极片速度与卷针速度的同步。
• 正式卷绕阶段：在完成了预卷绕之后，正负极片被隔膜紧紧包裹，并开始围绕卷针进行正式的卷绕。在这一阶段，系统会持续监测料卷的张力，并据此调整极片放料电机的速度，以确保在整个卷绕过程中料卷能够保持恒定的张力。

图1 卷绕过程示意图

上述过程涵盖了六个电机的协同工作，其中关键在于实现两类同步：确保隔膜的放卷速度与卷针旋转速度同步，同时确保极片放料速度与卷针旋转速度保持一致。在预卷绕阶段，由于缺乏反馈机制，这一同步控制问题被视为开环控制，要求我们构建精确的卷绕速度模型以确保两者之间的同步性。而在卷绕过程中，通过实时测量料卷的张力，我们能够运用闭环反馈控制技术实现更为精细的控制。

在实际操作中，我们关注的是电机的转动频率，但真实的速度是受到各料卷和卷针卷绕时动态变化的实际半径影响的。在没有实际传感器的情况下，我们假设料卷在一次上料后，其半径变化遵循阿基米德螺旋线定律，同时忽略人为换卷带来的影响。初始卷料半径则通过预设程序进行设定。

关于卷绕机的张力控制，其系统由张力检测传感器、张力执行机构和显示储存模块构成。张力执行机构通常包括直线电机、低摩擦气缸或伺服电机等，而张力检测机构则被安置在尽可能靠近卷针机构的位置。通过精确控制物料走带张力，我们可以实现逐圈张力的设置和调控，确保电芯在卷绕过程中不因张力问题而发生变形。在卷绕过程中，随着卷径的增加，为了保证电芯的紧实度，我们会逐渐增大张力。同时，在每个极片圈内，我们都需将张力的波动控制在一定的合理范围内。如图2所示，这就是单圈内极片和隔膜张力的波动情况。

图2 极片单圈内极片、隔膜张力波动情况

在卷绕过程中，对隔膜施加恰当的张力是确保正极片、隔膜、负极片之间整齐排列的关键。然而，这一工艺过程中的张力同时也可能导致隔膜在走带方向上过度拉伸。当隔膜在走带方向发生显著的收缩时，它可能会严重挤压极片，进而引发电芯绕卷后的变形问题。这种变形不仅使得电芯外观平整度欠佳，而且内部可能出现隔膜褶皱等严重缺陷，如图3所示。这些问题直接影响了电芯的性能，包括容量降低、循环性能减弱以及自放电速度加快等，尤其是在卷绕较厚的电芯时，变形问题更为显著。

此外，电芯在松散状态下的厚度一致性不佳也会给电芯入壳工艺带来挑战，增加其难度，甚至可能导致电芯在入壳过程中受损。因此，对卷绕过程中的张力进行精确控制显得尤为重要，它直接关系到电芯的整体质量和性能。

**图3 **松散卷芯和密实卷芯的断面形貌

电芯/极耳对齐度

电芯的卷绕过程是一个精密的工艺，其中负极的设计至关重要。为了确保正极扩散过来的锂离子能在负极找到对应的晶格嵌入，负极必须完全包裹正极，并保留一定的尺寸余量。同时，为防止短路现象的发生，隔膜必须紧密地包裹住负极。如图4所示，卷绕电芯在长度方向上必须确保负极拥有足够的余量，同时隔膜紧密地覆盖在负极之上。

极片之间的相对位置对于电芯的性能至关重要，其参数包括隔膜长度M，负极与隔膜的相对尺寸J、K，以及正负极之间的相对位置L等。这些尺寸受到极片涂布规格、卷绕工艺等多种因素的影响，需精确控制以确保电芯的性能。

在极片宽度方向上，负极也需要超出正极一定的余量V，同时隔膜超出负极一定的余量W。这一对齐度的精确性直接由卷绕工艺的精度决定。当工艺精度提高时，余量尺寸可以相应减小，从而提高电池的能量密度。然而，这也可能降低电池的安全性系数。因此，在追求高能量密度的同时，必须确保卷绕工艺的精度，否则可能对电池的安全性构成严重威胁。

为了确保卷芯每层极片的对齐度，通常采用X-射线技术进行全面的检测。如图5所示，当正负极之间的宽度相对尺寸不满足要求时，设备将自动报警并剔除不良品，以确保电芯的质量和性能。

图4 卷绕电芯极片相对位置示意图

图5 **** 卷芯X-Ray检查正负极极片对齐度

切位毛刺控制

极片切刀在长期使用过程中，由于持续与材料接触，不可避免地会出现磨损现象，这种磨损会直接影响其切断效果，甚至可能导致切断面产生毛刺。为确保切断质量，对切刀进行寿命管理至关重要，需要定期检测其切断质量。

一般而言，检测切断面毛刺的过程包括以下几个步骤：首先，取已切断的极片样本；随后，利用高精度的光学显微镜对切断面进行仔细观察，以检测是否存在毛刺现象。

关于毛刺的管控标准，行业内普遍要求毛刺的尺寸应小于隔膜厚度的一半，以确保电芯的组装和性能不受影响。然而，一些追求更高品质的厂家会采用更为严格的控制标准，要求毛刺不得超出涂层范围，以进一步减少电芯内部的潜在风险。这种严格的管控标准不仅体现了厂家对产品质量的高度重视，也为电池的安全性和稳定性提供了有力保障。

图6 极片切断毛刺观察

金属毛刺或异物引发电池内部短路的基本原理主要包括两种情形，如图1所示。第一种，较大尺寸的金属颗粒会直接穿透隔膜，使得正负极直接接触，从而产生物理短路。第二种情形则更为复杂，当金属异物混入正极后，随着充电过程正极电位的升高，这些金属异物会在高电位下溶解，并通过电解液扩散。随后，在负极的低电位环境下，溶解的金属会重新析出并堆积在负极表面，最终可能刺穿隔膜，形成化学溶解短路。

在电池制造现场，常见的金属异物主要包括Fe、Cu、Zn、Al、Sn以及不锈钢等。这些异物可能通过各种途径混入电池产品中，如电极浆料中混入金属杂质、极片切割工序产生的切割毛刺或金属碎屑、卷绕工艺中极片切断产生的毛刺或电芯内部混入的金属异物颗粒，以及极耳和壳体焊接过程中产生的金属屑等。

综上所述，卷绕机在锂电池电芯制造过程中占据核心地位。其将模切成型的极片精确卷绕成锂离子电池电芯，而在这一过程中，张力控制的精度、纠偏能力以及卷绕效率等因素均对电池产品的质量产生关键影响。