锂电池卷绕工艺及设备技术解析！_断裂_化学_电子_新能源_焊接_理论_电机_爆炸_材料_储能

锂电池卷绕机是用来卷绕锂电池电芯的,是一种将电池正极片、负极片及隔膜以连续转动的方式组装成芯包(JR:JellyRoll)的机器。

输入：正负极板、隔离膜、保护胶带、卷止胶带、极耳

输出：电芯（方形、圆柱、卷绕式叠片等）

国外卷绕制造设备始于1990年，从半自动圆形、半自动方形卷绕、全自动一体机（三轴），起步比较早且自动化程度比较高。

国内卷绕制造设备始于2006年，从半自动圆形、半自动方形卷绕、自动化制片开始，之后是组合自动化,制片卷绕一体机,激光模切卷绕一体机等。

卷针：

卷绕机有正、负极送料单元，将正极、负极和隔膜卷绕在一起的机构叫卷针。

卷芯周长算法：

卷芯周长=2*(S1+S2+S3)：

卷芯周长＝[包装铝箔内坑宽-宽度张力控制系数0.1-间隙0.8-(裸电芯层数*单层厚度+4*隔离膜厚+2*Tape厚+ 3*Al Foil厚+ 2*Cu Foil厚]*2

---单层厚度＝负极厚+正极厚+隔离膜厚*2

一般卷针设计有自己独特的结构和配置公式，但是设计尺寸和实际卷出电芯尺寸还是有差异，所以需要多次优化卷针，就会出现几个版本的卷针，最后试出最佳卷针。

按照电池芯的形状分为：

卷针是卷绕工序中的核心部件，按照形状分为片式卷针和圆形卷针,卷针的形状和尺寸决定于电芯的形状和大小。

方形电池常用片式卷针，由上下两个相同尺寸的金属片组成，有效卷绕部分呈长方形，两层金属片之间留有微小的间隙，能够穿过并夹住隔膜，金属片外表面为光滑的扁平弧形，拔出端为半圆弧形。

卷针的长度通常大于隔膜宽度，横断面的周长略小于电芯最内层的设计周长；电芯的设计要求能够从卷针上顺利拔出，避免带出内圈隔膜、破坏电芯对齐度等现象。

圆柱形电池常用圆形卷针，由两个半圆柱体的金属棒组成，可以夹住隔膜进行卷绕，卷针拔出端也设计成有利于拔出的形状。

卷针的直径应尽量小，但是不能小于极耳的宽度，圆形卷针早期也用于方形电池，圆柱形的电芯进行压扁后制成方形电芯，电芯里层的宽度略大于圆形卷针周长的一半；这种压扁电芯的内部张力大，厚度不容易控制，后来被片式卷针取代。

方形和圆柱形电池电芯卷绕机，一般卷绕设备采用三副卷针、单侧抽针结构，小圆柱采用两侧抽针方式。

单侧结构

两侧结构

卷针结构分析：

在卷绕机的众多组成部件中，卷针是最重要的部件之一，卷针结构的好坏直接影响电芯卷绕成型。

卷针的作用有两个：一是在卷绕工位时，卷针负责穿插隔膜，把隔膜夹住后卷绕带动正负极板一起进行卷绕成为裸电芯，二是在抽针退料工位时，卷针要及时张开进行抽针。

现有的卷针结构设计简单，经常出现卷针闭合不稳定导致有卷针出针时刮伤隔膜或者卷好电芯后抽针不良等风险，卷针闭合不稳定和难以抽针一直是痛点，也是卷绕机设备方面提升和突破的方向。

夹持式卷针

针对不同的卷绕设备，所设计的卷针各有所不同，所以考虑卷绕同时也要关注抽芯状况，材料工艺等息息相关。

作为卷绕机的核心零部件，卷针影响着卷绕速度和卷芯质量，目前大部分卷绕机采用圆形、椭圆形和扁菱形卷针，对于圆形和椭圆形卷针，由于存在一定弧度，会造成电芯的极耳变形，在随后的压芯过程中，还容易造成电芯内部起皱变形，对于扁菱形卷针，由于其长轴和短轴尺寸相差较大，极片和隔膜张力变化较大，需要驱动电机变转速卷绕，过程难以控制，卷绕速度一般较低。

以下为不同的卷针结构

单针，三针，圆柱

见下图：

三轴方形，设计卷针闭合稳定易退芯，耐用性高，紧凑，换型简单。

单轴方形，设计简单，卷针闭合不稳定不易退芯，耐用性不高，不紧凑，换型不简单

单轴圆柱，设计简单，耐用性不高，不紧凑，换型麻烦。

半自动,简单适合打样和样品制作。

贴胶系统：

贴胶系统是对极耳焊接部位、极片尾部和电芯终止部位粘贴胶带的装置。

极耳焊接部位的贴胶:由输送和定位装置将胶带送至机械手，利用直空吸住胶带，切断后送至极耳处进行贴胶，用于防止极耳毛刺刺穿隔膜造成内短路，提高电池的安全性能。

电芯在卷绕终止部位的贴胶:利用鼓轮真空吸住胶带，然后旋转到贴胶部位进行贴胶，固定电芯结构，防止松散。与自动卷绕机配套的贴胶系统，只能完成与卷绕相关的部分贴胶工作，其他贴胶工作则由专门的贴胶设备来完成。根据生产线要求，通常由全自动贴胶机完成贴胶工作。

控制装置：

控制装置主要包括张力控制装置和纠偏装置。

张力控制装置主要用于调节卷绕过程中施加在极片和隔膜的张力，来调控电芯的松紧度。卷绕过程是动态时变过程，张力控制也是动态时变过程。对于圆形电池，卷绕过程中张力的大小及其波动相对容易控制。

对于方形电池，卷绕过程中的张力波动较大，当片式卷针以恒角速度转动时，极片和隔膜的线速度发生类似于正弦波的周期性变化，线速度的最大值和最小值相差幅度很大，且在运行过程中出现尖角，相应的加速度变化很大，从而导致极片对应的张力也发生类正弦的周期性波动，变化幅度也很大。在一个卷绕周期内极片的线速度变化和张力变化曲线。

对于方形电池，控制重点在于减少卷绕过程中卷绕线速度波动，使张力趋于恒定。张力恒定控制的方式主要有卷针自转加入公转、加入调速机械凸轮调节送料速度等。

以最复杂且最常见的扁菱形卷针为例进行简要介绍，在其卷绕旋转过程中，正、负极片和隔膜总是以B、C、D、E、F、G六个边角点作为支撑点进行包绕。

因此，可以将卷绕过程拆分为分别以OB、OC、OD、OE、OF、OG为半径的分段卷绕，即只需分析以下θ0、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7之间七个角度范围内线速度的变化情况就可以完全定量描述卷针周期性的转动过程。

根据三角函数关系，容易推导出如下关系式：

从上述方程式可以容易看出，当卷针以恒定角速度卷绕时，卷绕的线速度和卷针支撑点与正、负极片和隔膜之间形成的角度是分段函数关系，通过Matlab仿真二者之间的图像关系如下：

由此可以直观的看出，图例中扁菱形卷针卷绕过程中最大线速度和最小线速度之比可高达10倍以上，如此大的线速度变化将给正、负极片和隔膜的张力带来很大的波动，这便是卷绕张力波动的最主要原因。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。

“S”变形的电芯CT图像和拆解图

目前通常通过变张力卷绕和变转速卷绕两种方法来解决由于卷针形状引起的卷芯质量不良问题（主要是变形问题）。

1）变张力卷绕以圆柱电池为例，在恒定的角速度下，线速度随着卷绕层数的增加而增加，导致张力越来越大。变张力卷绕即指通过张力控制系统将施加于极片或隔膜上的张力随着卷绕层数的增加而线性的减少，从而在恒转速的情况下，仍然可以使整个卷绕过程尽可能保持恒定的张力。

通过大量的变张力卷绕实验，得出如下结论：

a.卷绕张力越小对卷芯变形改善越好；

b.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）变转速卷绕以方形电池为例，通常采用扁菱形卷针，当卷针以恒定角速度卷绕时，根据以上分析可知，其线速度波动很大，导致卷芯内部拐角处层间距相差较大，此时，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。

总之，卷针形状可能影响极耳平整度（卷芯良率和电性能）、卷绕速度（生产效率）、卷芯内部应力均匀性（外观变形问题）等，对于圆柱形电池，通常选用圆形卷针，而对于方形电池，通常选用椭圆形或扁菱形卷针（某些情况也可以采用圆形卷针卷绕，将卷芯压扁形成方形卷芯）。

随着自动化水平发展，逐渐采用数字控制方式来减少卷绕时张力波动，特别是动态张力的波动，张力大小控制主要在极片和隔离膜挂轴处，采用低摩擦气缸和电动压力控制来调整张力;利用伺服电机的速度来控制极片和隔膜传输过程中的张力稳定,在卷绕前的极片缓存机构处，采用磁粉离合器和电机控制来调整张力，实现逐圈减张力卷绕。

纠偏装置：

主要用于纠正极片和隔膜在放卷、输送和卷绕过程中偏离预定位置的装置。放卷纠偏通过电机控制放卷机构进行平移来实行，采用边缘对中纠偏(EPC)方式进行纠偏。

其他装置：

除粉和除静电装置一般设在正负极极片和隔膜挂轴处。通过刷粉集尘装置的防静电毛刷旋转、刷机构此处位置安装可调节的挡片，刷极板的同时不会刷到极耳，不同型号的极耳都可适用，简单实用,自动与极片接触和分离来实现除粉功能;通过负离子发生器除静电装置来去除隔膜的静电;还可以通过加装磁铁除去极片和隔膜磁性粉尘。

短路检测装置：

一般采用电芯短路测试仪来测试，通过测量正负极之间的电阻值来判定电池是否合格。

OverhangCCD检测

CCD检测视野为≤25mm,单边检测，要求有效精度±0.05mm；

每个电芯极片和隔膜以及正负极数据保存；

过杀≤0.5%（不包含来料问题）；

检测不良停机报警，并坏品自动排出。

卷绕机的主要机构有：

正负极极片和隔膜主动放卷、极片和隔膜换卷、自动纠偏、自动张力检测与控制、CCD检测。

动作原理：

极片由夹送辊驱动机构引入卷针部分，与隔膜一同按照工艺要求进行卷绕。卷绕完成后自动换工位、切断隔膜和贴终止胶带，成品裸电芯自动下料后，经过预压、扫码，良品成品裸电芯自动转移到托盘中再转移到后工序。不良品裸电芯自动剔除到不良品收集处。

卷绕的工艺流程如下图：

卷绕机原理说明：

放卷：放卷系统是将极片、极耳和隔膜卷打开并输送至后续工位的装置。由起始的放卷电机和中部设置的主动送料电机共同提供放卷动力;中部还设有挂轴，由气缸带动张紧机构通过对料卷的固定，来控制极片和隔膜的停止和放卷,同时还设有料卷用完检测装置和自动换卷装置。

焊接系统：

焊接系统是将通过放卷系统传输的极耳采用超声波的方法焊接于极片集流体上的装置。由极耳挂轴定位装置和边缘位置传感器联动来控制极耳的给入焊接位置，通过超声波焊接器对极耳与极片集流体进行焊接，由气缸带动焊接头实现间歇焊接;然后切断极耳，贴极耳保护胶，对焊接质量进行检测。

①预卷绕：正负极片初始送极片过程，该过程中正负极片在送极片机构夹持极片以一定的速度送入卷针，需要控制卷针的旋转角和速度与送极片机构相匹配。该过程涉及两个同步：隔膜的放卷速度与卷针速度的同步，送极片速度与卷针的速度同步，预卷速度要慢同时夹角位置要合适，否则电芯中心距会不稳定。

②卷绕过程：在完成了正负极片初始送极片过程后，正负极片被隔膜包覆，并绕卷针缠绕，后续转动卷针即可实现连续卷绕。该过程中通过检测料卷的张力大小调整极片放料电机的放料速度，来保证卷绕过程中料卷的的恒定/变速张力。

预卷中的控制问题属于开环控制问题，卷针、隔膜和极片两两之间是否真正的同步没法准确测量，这就要求我们建立准确的卷绕控制模型，尤其是对于尺寸较大的电池的卷绕要求更高。

卷绕中物料张力，可以在控制中采用闭环反馈控制技术。在线检测张力显示、在线检测纠偏显示，时时根据反馈的数据进行调整。

a) 边缘感应器的设定范围为0.00–7.00mm,中心值设定为3.50±0.5mm为了达到自动边缘校正和使材料达到边缘感应器检测到3.50，调节感应器的位置，使其检测到范围之内。

b) 为了使材料边缘保持整齐，采用连线模拟PID方式的AC伺服系统，在卷绕中进行实际监控。依据来自边缘感应器的检测信号，AC伺服系统将持续追踪，以保持边缘中心值（3.5mm），边缘的现在值将表示在运转画面中。

目前通常通过变张力卷绕和变转速卷绕两种方法来解决由于卷针形状引起的卷芯质量不良问题（主要是变形问题）。

变张力卷绕

以圆柱电池为例，在恒定的角速度下，线速度随着卷绕层数的增加而增加，导致张力越来越大。变张力卷绕即指通过张力控制系统将施加于极片或隔膜上的张力随着卷绕层数的增加而线性的减少，从而在恒转速的情况下，仍然可以使整个卷绕过程尽可能保持恒定的张力。

通过大量的变张力卷绕实验，得出如下结论：

a.卷绕张力越小对卷芯变形改善越好；

b.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。

变转速卷绕

以方形电池为例，通常采用扁菱形卷针，当卷针以恒定角速度卷绕时，根据以上分析可知，其线速度波动很大，导致卷芯内部拐角处层间距相差较大，此时，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。

另外，大量的实验数据表明，卷芯质量对最终成品电池的电化学性能和安全性能具有重要影响。锂电池卷绕过程的一些重要的关注焦点和注意事项，形成了《锂电池卷绕指南》，尽可能规避卷绕过程中的不正确操作，从而制造出符合质量要求的锂电池。

卷绕常规结构：

卷绕过程的关注焦点和注意事项，必须确认极片覆盖和尺寸（卷芯宽度、厚度、极耳边距、中心距）等，当出现极片覆盖不良和尺寸异常时，应及时进行调整，防止制造批量不良品。因此，在正式卷绕之前，通常需要进行试卷流程，以确定极片长度和焊接位置，从而确保制造出符合要求的卷芯。

五种常见的卷芯结构（IIT、MIT、IMT、MMT、OOT）。

一、IIT结构

IIT（In-In-Tab）结构的卷芯，正负极耳均焊接在头部，极片入料时可以较好地控制极耳位置，通常极耳中心距和边距不良的情况较少。

附图1：IIT结构极片及极组示意图

附表1：IIT结构试卷问题及解决措施

二、MIT结构

MIT（Mid-In-Tab）结构的卷芯，正极耳焊接在极片中间，而负极耳焊接在头部，相比IIT结构，中心距和边距更难控制。

附图2：MIT结构极片及极组示意图

附表2：MIT结构试卷问题及解决措施

三、IMT结构

IMT（In-Mid-Tab）结构的卷芯，负极耳焊接在极片中间，而正极耳焊接在头部，与MIT结构类似。

附图3：IMT结构极片及极组示意图

附表3：IMT结构试卷问题及解决

四、MMT结构

MMT（Mid-Mid-Tab）结构的卷芯，正负极耳均焊接在极片中间，中心距和边距较难控制。

附图4：MMT结构极片及极组示意图

附表4：MMT结构试卷问题及解决措施

五、OOT结构

OOT（Out-Out-Tab）结构的卷芯，正负极耳均焊接在极片尾部，卷绕完成后才能确定极耳位置，与极片一致性关系较大，中心距和边距最难控制。

附图5：OOT结构极片及极组示意图

附表5：OOT结构试卷问题及解决措施

需要注意的是，卷芯尺寸、包覆情况等之间相互存在关联性，如MMT结构卷芯，正极片入料增加后，极耳中心距和正极耳边距都会减小，而负极片入料增加后，极耳边距会减小，而中心距会增大，因此，在调整极片尺寸或极耳位置时，切不可顾此失彼。如此多的卷绕结构是基于电芯性能和制造工艺难易程度决定的，极耳焊接在不同位置的内阻和倍率性能，结果证实了极耳焊接越靠近极片中心，全电池内阻越小，倍率性能越好。

附图6：几种卷芯结构极耳焊接位置示意图

附图7：几种卷芯结构性能对比

由此可见，IIT结构的内阻最大，倍率性能差，MMT结构内阻最小，倍率性能最好，而MIT和ITM介于二者之间，并且负极耳中置的大倍率放电性能比正极耳中置更好。
1、极耳中置缩短了电子运动路径，可以有效降低全电池欧姆内阻，降低极化，减小温升，提高倍率性能，但增加了工艺复杂度，极耳中心距和边距控制难度增加。

2、IIT结构的电池和OOT结构内阻相差不大，但OOT结构极耳在卷芯外层，因此特别适合窄条形但中心距要求大的电芯，能大大降低正负极耳触碰短路的风险。

卷绕部位，经压轮离卷针越近（相对位置），电芯内圈应力越小，电池形变就会降低。

③卷绕过程动态控制模型：由于预卷绕过程属于开环控制，准确的数学模型是卷绕控制系统成败的关键。尤其是对于极片的线速度大于1m/s时，准确的卷绕模型是控制卷绕张力的稳定，是卷绕质量控制的关键核心。

④电芯高质卷绕：电芯高品质卷绕的核心问题是卷绕电芯的隔膜、极片贴合均匀，表现为没有间隙，而且电池使用过程中隔膜和极片相互间在各个方向保持接触应力均匀一致。

卷绕过程中就是一个减速过程：卷绕张力随着卷绕圈数递减，减算张力,是电芯在卷绕的过程中,极板的张力是变化的,变化要求在此功能设定

减算张力的设定,按照不同型号卷绕圈数不同开始递减,每卷绕1.5圈递减一次, 计算每圈递减的张力公式为:每圈递减的张力=(设定张力-最终张力 )/(卷绕圈数/1.5)

⑤方形卷绕电芯的张力问题

卷绕过程对隔膜施加一定的张力，以确保正极片、隔膜、负极片之间的整齐程度，然而工艺过程中的张力会使隔膜在走带方向被拉长，隔膜在走带方向的收缩量很大，会使得隔膜严重挤压极片，

从而导致绕卷后电芯发生变形，变形后的电芯不仅外观平整度差，内部还会存在隔膜褶皱等缺陷，如图3所示，这会导致容量低、循环性能差及自放电快等质量问题，尤其是卷绕较厚的电芯，卷绕后的变形问题尤为突出。另外，松散状态的电芯厚度一致性也差，会影响电芯入壳工艺，增加入壳工艺的难度，甚至导致入壳时电芯损伤。因此，卷绕张力控制非常重要。

即使方形电芯的卷针曲线是一阶导数连续的封闭曲线，压扁后极片、隔膜没有间隙，但在电池的充放电过程中，因为极片膨胀和收缩程度的不一致，会导致极片间的间隙随着充电循环逐步变大，产生形变。

⑥电芯形变的因素

由于受到两侧阴极的束缚，阳极内部产生应力，当阳极直线段没有”缺陷”时，应力主要集中在极片转角处，当转角处内外两侧均受到束缚时，根据两侧束缚的大小关系，有两种可能的趋势

内侧束缚>外侧束缚时，转角有向外侧位移的趋势，应力向外侧释放----（可能诱导B类变形）

内侧束缚<外侧束缚时，转角有向内侧位移的趋势，应力向内侧释放---- ( 容易导致A类变形)

⑦使用粘性隔膜

陶瓷隔膜：在原来锂电池隔膜上面（包括干法湿法隔膜）以三氧化二铝和粘结剂以及去离子水混合搅拌为浆料，采用微凹版挤压涂布的方式来在基材隔膜上面做一层或者两面各一层的陶瓷面，厚度为2-4um。电池耐高温、防穿刺、降低厚度方面表现出优异性能。

PVDF凝胶隔膜：在基材上涂上一层或两层PVDF，单面涂层厚度≤1um，相对于其它类型的隔膜，在热压工序后，涂胶隔膜的PVDF涂层会与极板中的粘结剂发生融合，显著提高电池的机械强度，防止在电池循环过程中发生形变，从而显著提高循环性能和安全性能

电芯形变改善方法

⑧卷绕机构和隔膜静电消除

隔膜在静电作用下，预卷负极过程中隔膜牢牢吸附在极板表面，预卷会有一个停顿到启动的动作，隔膜会有一定的拉伸作用，同时卷针转角处最容易形成应力。

隔膜在静电作用下，预卷正极过程中隔膜牢牢吸附在极板表面，预卷会有一个停顿到启动的动作，隔膜会有一定的2次拉伸作用，同时卷针转角处最容易形成应力。

电芯卷绕完成后，自然状态下隔膜会有一定收缩，因极板紧紧贴在隔膜上，隔膜收缩时会带动极板形成褶皱感，所谓的极板贴合不好，从而产生形变。(一般在内圈3~4圈表现尤为突出，电池中间形变凸起）经压轮距离卷针越近越好，产生的内应力越小

⑨方形卷绕电芯的卷止胶带贴附力，早期凸轮顶着卷针旋转，施加的力比较大，卷芯最外的力被束缚，最终产生形变。后期改善凸轮设计，施加的力降低，电池形变降低。

⑩卷针设计/退芯

l 根据电芯形变分析：

l 以尽量小的卷绕初始张力进行变张力

l 尽量云线速度卷绕，即变速卷绕

l 加厚卷针设计改善电芯形变

① 卷绕R圆弧角比扁平卷针大，利于电芯R角处层与层之间距离不过紧

② 加厚卷针合并近似椭圆形，能减小卷绕过程中张力波动幅度和线速度波动幅度

③ 卷针加工过程中需注意开合角度，便于退芯顺畅

④ 更薄的极板时，极板的曲率较高；卷绕内核中的曲率相对较高（0.5~5 mm−1），但是该部分通常不填充极板，即空的或由心轴支撑。如果极板没有弯曲（方形卷绕中的平坦部分）双面涂布极板结构示意图如图所示；而极板弯曲时，如图所示，极板曲率和涂层厚度可能会引起面向电池芯（凹面）和电池外壳（凸面）的极板涂层的差异，即面向电池外壳的电极涂层被解拉伸，而面向电池芯的极板极涂层被压缩，这最有可能导致电极涂层朝向电池芯的压缩机械应力和较低的孔隙率，最后影响抽芯。

其实，在不同类型的商用圆柱形电池的失效分析中也发现了负极两面涂层的粘附差异。在老化的电池中，对于较厚的电极涂层、靠近卷芯核心的内部绕组以及面向电池芯的涂层的附着力损失通常更强，而这些正是曲率比较大的情况。

另外，电极涂层一侧被拉伸、一侧被压缩，也会导致单位面积内的容量差异，从而引起电池正负极的N/P比变化，进而影响电池性能,通过卷针设计（台阶），有效降低抽芯率。

卷绕过程可知，电芯卷绕包括两个不可避免的过程：推针和退芯。

推针过程：

两卷针在推针气缸作用下伸出，分别穿过隔膜两侧，然后两卷针组合形成的针头圆柱体正好插入轴套中，卷针合拢夹持隔膜，同时，两卷针合并后形成一个基本对称的规则形状作为卷芯的内核。

退芯过程：

卷芯卷绕完成后，两卷针在抽针气缸作用下缩回，针头圆柱从轴套中退出，卷针装置中的滚珠在弹簧作用下使卷针闭合，两卷针相向卷绕，卷针的自由端尺寸变小，在卷针和卷芯内表面之间形成一定间隙，随着卷针相对横夹缩进，实现卷针和卷芯的顺利分离。

上述的推针和退针中的“针”即指卷针，作为卷绕机的核心零部件，卷针影响着卷绕速度和卷芯质量，目前大部分卷绕机采用圆形、椭圆形和扁菱形卷针，对于圆形和椭圆形卷针，由于存在一定弧度，会造成电芯的极耳变形，在随后的压芯过程中，还容易造成电芯内部起皱变形，对于扁菱形卷针，由于其长轴和短轴尺寸相差较大，极片和隔膜张力变化较大，需要驱动电机变转速卷绕，过程难以控制，卷绕速度一般较低。

退芯

隔离膜抽芯

先要搞清楚抽芯的原因：？

隔膜本身很涩，表面积摩擦，减少摩擦才能解决抽芯，另外设备的同轴度也很重要，边缘要倒角，预留空隙。

先要搞清楚抽芯的原因：？

隔膜本身很涩，表面积摩擦，减少摩擦才能解决抽芯，另外根据卷针开合角度内侧需要半圆弧设计，外侧需要圆弧设计，便于退芯，卷针片厚度设计需要偏薄型。

图11，内侧没有半圆弧设计，预卷隔膜/正负极板时，隔膜在走带方向被拉伸紧贴

卷针表面，同时隔膜被极板严重挤压，退芯时卷针闭合隔膜收缩量很大，容易抽

芯。

内侧有半圆弧设计，预卷隔膜/正负极板时，隔膜在走带方向被拉伸紧贴卷

针表面，同时隔膜被极板严重挤压，退芯时卷针闭合隔膜收缩量很大，预留出空

间（释放）便于退芯。

① 卷芯开合量的调整应尽量小，太小会无法退芯，以人手能轻易退芯为基准，以卷芯底座上面的左右螺丝调整，卷芯退芯开合量的调整，需装在设备上进行来回测试与调整。

② 下料夹夹爪与卷芯之退芯旋转角需确认适当的平行，调整卷芯伺服马达的角度。

③ 下料夹夹爪之夹取力量应尽量小，以夹取气缸之调压阀调整，约0.05MPa。

④ 第三工位卷芯位置之卷芯退芯拔取之后退速度应尽量慢，以气压缸节流阀调整。

⑤ 第三工位卷芯位置之卷芯退芯拔取时间应比下料夹夹爪慢。

毛刺和粉尘的管控

毛刺和粉尘的存在可能刺破隔膜，造成电池自放电率的提高，降低电池合格率;甚至引起电池的内短路，降低电池的安全性能。尤其是在不良环境下使用电池时，如在高温下电池隔膜强度下降，毛刺和粉尘更容易穿破隔膜引发电池膨胀、发火或爆炸。

由于铝塑膜的束缚，随着电芯封装、注液和充放电，极片和隔膜的距离逐渐靠近:注液使极片溶胀会使二者距离更加靠近:而在充满电之后极片膨胀至最厚此时二者之间距离最近。毛刺严重时，封装以后就能测出短路。随着注液之后。充放电之后极片与隔膜距离的靠近，更短毛刺产生的短路才能被测出。

毛刺和粉尘产生的很微小的短路，可以称为自放电，需要电池搁置一段时间才能测出。因此自放电率是衡量粉尘和毛刺影响的标志量，

粉尘影响与毛刺不同，毛刺大时可以直接刺破隔膜引起短路，但是粉尘多引起的是自放电。粉尘颗粒以突出点的形式与隔膜接触，会在充放电的反复膨胀收缩作用下压迫隔膜产生孔洞，这是一个逐渐加重的过程，开始时多属于微短路来自空气中的粉尘或者制成时极片、隔膜沾上的金属粉末都会造成自放电。

生产时绝对的无尘是做不到的，一般应控制在粉尘不足以达到刺穿隔膜进而使正负极短路接触的程度，因此电池生产厂家对极片表面残留的粉尘粒径和数量要求较高，一般要求电池极片在卷绕前表面粉尘的最大颗粒度在 8um 以下。另外，存在于涂布层与隔膜间的粉尘，会增大涂布层和隔膜层间距，增大离子扩散的自由程，导致充放电效率下降。

随着锂离子电池容量提升，对电池安全性能要求的提高，隔膜变得越来越薄，电芯厚度占壳体厚度的比例也越来越大，壳体对电芯压力增加，毛刺和粉尘刺破隔膜带来短路和自放电的风险越来越大，因此对极片毛刺和粉尘的控制越来越严格。

耐电压绝缘测试

一般，在电芯热压整形时，同时对电芯进行绝缘耐电压测试，检测电芯内部是否存在微短路。如果电芯内部存在微小金属异物颗粒，在电芯被压下状态，电芯隔膜刺穿，很容易检测出微短路不合格品。测试时，仪器给电芯加一个电压，这个电压持续一段规定的时间，然后检测其漏电电流量是否保持在规定的范围内，判断电芯正负极有无短路。一般，施加电压如图5所示：

① 一定时间t1内，对电芯从0开始加电压至U。

② 电压U保持一段时间至t2。

③ 测试完成后，切断测试电压，并对电芯杂散电容放电。

卷芯预压定型

采用卷绕方式将正、负极极片和隔膜组装成基本的卷芯。随后，一般会对电芯进行预压整形。通过至少一次热压和/或至少一次冷压的方式，对卷芯进行定型。预压整形工艺过程如下：将卷绕或叠片好的电芯放在模板上，设定增压缸压力和模板温度，然后上下模板在一定压力和温度作用下使电芯定型，达到电芯厚度一致，使电芯弹性减小，降低装芯合格率并保证成品电芯厚度的一致性。

热压温度为70～100℃，时间为30～120s，卷芯压力为0.1～1MPa。

电芯热压整形的主要目的包括：

（1）改善锂离子电池的平整度，使电芯厚度满足要求并具有高的一致性；

（2）消除隔膜褶皱，赶出电芯内部空气，使隔膜和正负极极片紧密贴合在一起，缩短锂离子扩散距离，降低电池内阻。
预压工艺实验中，检测项目主要包括隔膜的透气性、厚度变化；电芯厚度是否满足入壳要求；极片是否发生断裂等。隔膜上的微孔结构是离子往返于正负极的重要通道，隔膜的透气性能会直接影响到电池的性能，隔膜透气性是指隔膜在一定的时间压力下透过的气体量。如果隔膜的透气性不好，将影响锂离子在正负极之间的传递，继而影响锂电池的充放电。

在热压过程中，隔膜可能被严重压缩，隔膜厚度变化大，导致微孔被堵塞，肉眼观察隔膜会变成透明色，这种情况说明热压整形对电芯作用超限，会影响锂离子传输。

如果极片比较脆，电芯折弯处在热压整形中容易发生掉粉甚至断裂，这会导致电子传输受限，增加电池内阻。因此，电芯热压整形也必须避免这种情况发生。这两个方面要求热压整形压力越小越好，时间越短越好。而另外一方面，热压整形又必须使电芯定型，电芯厚度满足工艺要求，电芯弹性减小，并保证成品电芯厚度的一致性。因此，压力，时间和温度等工艺参数需要优化。

卷绕的特点

依据卷绕机的自动化程度可以划分为半自动、全自动和一体机等类型。按照制作的电芯大小可以划分为小型、超小型、中型、大型等。如下是几种卷绕机的示意图。

小型自动卷绕机

超小型自动卷绕机

中型自动卷绕机

大型自动卷绕机

卷绕卷芯的特点如下：

♦极片、隔膜连续一体，制造效率高；

♦卷绕只有两条边，边缘少，极片完整，便于控制毛刺；

♦生产控制简单，操作容易，控制难度低；

♦不宜卷太厚、层间互相影响，容易变形；

♦极片柔性要求高；

♦极片横向张力不一致，内部可能产生间隙，贴合应力难以均匀；

♦极片膨胀带来形变问题、难以实现高质量。

圆柱类电池极片尺寸设计的通解关系

锂电池根据封装方式和形状不同，可分类为方形、软包和圆柱类电池，其中圆柱类电池具有一致性好、生产效率高、制造成本低等核心优势，自1991年诞生之初已有30余年发展史。近年来，随着特斯拉全极耳技术发布，大圆柱类电池在动力电池、储能领域的应用加速，成为了各大锂电池企业的研究热点。

圆柱类电池外壳可以是钢壳、铝壳或软包，其共性是制造工艺都采用卷绕技术，即以卷针为内核，通过驱动卷针旋转将隔离膜和极片分层缠绕在一起，最后形成一个相对均匀的圆柱形卷芯。如下图，典型的卷绕过程是：首先卷针夹持隔膜进行隔膜预卷绕，然后负极片插入两层隔离膜之间进行负极预卷绕，接着插入正极片进行高速卷绕，卷绕完成后，切刀机构将极片和隔膜切断，最后在收尾处贴上一层胶纸固定形状。

卷绕后的卷芯直径控制非常关键，直径过大则无法装配，直径过小又存在空间浪费，因此，准确设计卷芯直径至关重要。幸运的是，圆柱类电池是较为规则的几何体，可以通过近似圆的方法计算每一层极片和隔膜的周长，最后累加就可以获得极片总长度，从而进行容量设计，而卷针直径、极片层数、隔膜层数的累计值就是卷绕后卷芯的直径，须知锂离子电池设计的核心要素正是容量设计和尺寸设计。此外，通过理论计算我们还可以将极耳设计在卷芯的任意位置而不局限于头部、尾部或中置，并且还涵盖了圆柱类电池多极耳和全极耳设计方法。

为了探究极片长度和卷芯直径的问题，我们首先需要研究隔离膜无限预卷、负极片无限预卷和正极片无限卷绕三个过程。假设卷针直径为p，隔离膜厚度为s，负极片厚度为a，正极片厚度为c，单位均为mm。

隔离膜无限预卷过程

在隔膜预卷过程中，两层隔膜同时卷绕，因此外层隔膜卷绕过程直径总是比内层隔膜多1层隔膜的厚度（+1s），且内层隔膜卷绕的初始直径是前一圈卷绕的结束直径，而隔膜每预卷1圈，卷芯直径增加4层隔膜厚度（+4s）。

负极片无限预卷过程

在负极片预卷过程中，由于加入了一层负极片，因此外层隔膜卷绕过程直径总是比内层隔膜多1层隔膜和1层负极片的厚度（+1s+1a），且内层隔膜卷绕的初始直径始终等于前一圈的结束直径，此时负极片每预卷1圈，卷芯直径增加4层隔膜+2层负极片厚度（+4s+2a）。

正极片无限卷绕过程

在正极片卷绕过程中，由于新加入了一层正极片，因此正极片初始直径总是等于前一圈的结束直径，而内层隔膜卷绕的初始直径变成了前一圈的结束直径加上1层正极片厚度（+1c），但外层隔膜卷绕过程直径总是只比内层隔膜多1层隔膜和1层负极片的厚度（+1s+1a），此时负极片每预卷1圈，卷芯直径增加4层隔膜+2层负极片+2层正极片厚度（+4s+2s+2a）。

以上，通过对隔膜和极片的无限卷绕过程分析我们获得了卷芯直径和极片长度的变化规律，这种逐层解析的计算方法有利于精准布置极耳位置（包括单极耳、多极耳和全极耳），但至此卷绕过程并未结束，此时的正极片、负极片和隔离膜是齐平状态，电池设计的基本原则是要求隔离膜完全覆盖负极片、并且负极片也要完全覆盖正极片。

圆柱电池卷芯结构和收尾过程示意图

因此，我们有必要进一步探究卷芯负极片和隔离膜收卷问题，显然地，由于正极片已经卷绕完成，而在此之前，正极片初始直径总是等于前一圈的结束直径，故此时内层隔膜的初始直径取代了前一圈的结束直径，负极片初始直径在此基础上增加1层隔膜的厚度（+1s），外层隔膜初始直径再增加1层负极片的厚度（+1s+1a）。

至此，我们得到了正极片、负极片、隔离膜长度在任意卷绕圈数下的数学表达式，假设隔膜预卷m+1圈，负极片预卷n+1圈，正极片卷绕x+1圈，负极片收卷圆心角为θ°，隔离膜收卷圆心角为β°，则有以下关系式：

极片和隔膜层数的确定既决定了极片和隔膜的长度，进而影响了容量设计，又决定了卷芯最终的直径，大大降低了卷芯的可装配性风险。尽管我们得到了收卷后的卷芯直径，但并未考虑极耳厚度和收尾胶纸问题，假设正极耳厚度为tabc，负极耳厚度为taba，收尾胶1圈且重叠区避开了极耳位置，厚度为g，那么最终卷芯的直径为：

以上公式就是圆柱类电池极片设计的通解关系，它确定了极片长度问题、隔膜长度问题和卷芯直径问题，并且定量描述了相互之间的关系，大大提高了设计准确度，具有极大的实际应用价值。最后，我们需要解决的是极耳的布置问题，通常，1张极片上存在1个极耳或2个极耳甚至3个极耳这种极耳个数较少的情况，tab-lead焊接在极片表面，尽管会在一定程度上影响极片长度设计的准确度（对直径无影响），但tab-lead通常较窄，影响并不大，因此本文提出的圆柱类电池尺寸设计通解公式忽略了这一问题。

正极耳和负极耳位置布置图

上图是极耳位置布置示意图，根据之前提出的极片尺寸通解关系，我们可以清晰了解卷绕过程每一层极片的长度以及直径变化情况，因此在布置极耳时，单极耳情况下可以将正极耳和负极耳精准布置在极片目标位置，而对于多极耳或全极耳情况，通常要求多层极耳对齐，我们只需在此基础上每层极耳偏离固定的角度即可，从而获得每层极耳的布置位置，由于卷绕过程卷芯直径逐渐增加，极耳布置间距总体近似以π(4s+2a+2c)为公差的等差数列关系变化。

为了进一步研究极片和隔膜厚度波动对卷芯直径和极片长度的影响，以4680大圆柱全极耳电芯为例，假设卷针直径1mm，收尾胶纸厚度16um，隔离膜厚度10um，正极片冷压厚度171um，卷绕时厚度为174um，负极片冷压厚度249um，卷绕时厚度为255um，隔膜和负极片均预卷2圈，计算得到正极片卷绕47圈，长度为3371.6mm，负极片卷绕49.5圈，长度为3449.7mm，卷绕后直径为44.69mm。

极片和隔膜厚度波动对卷芯直径和极片长度的影响

从上图可以直观地看出，极片和隔膜厚度波动对卷芯直径和极片长度均有一定影响，当极片厚度每偏厚1um时，卷芯直径和极片长度增加约0.2%，而当隔膜厚度每偏厚1um时，卷芯直径和极片长度增加约0.5%，因此，为了控制卷芯直径一致性，应尽可能减小极片和隔膜的波动，并且还需收集冷压到卷绕之间极片反弹随时间变化的关系，从而辅助电芯设计过程。

总结
1、容量设计和直径设计是圆柱类锂电池最底层的设计逻辑，容量设计的关键在于极片长度设计，直径设计的关键在于层数解析。

2、极耳位置布置也至关重要，对于多极耳或全极耳结构，极耳对齐度可以作为电芯设计能力和过程控制能力的评判标准，通过逐层解析的方法可以较好地满足极耳位置布置和对齐度要求。

卷绕机的关键结构

设备主要模块包括：极片/隔膜自动放卷模块，极片/隔膜换卷模块，自动纠偏模块，导辊模块，极耳导向抚平模块，主驱模块，张力控制模块，张力测量/显示与储存模块，极片入料模块，隔膜除静电装置，极耳打折/翻折及极片破损检测模块，CCD在线检测模块，极片切断模块，除尘系统，极片和隔膜不良品单卷与剔除模块，卷绕头组件，隔膜切断模块，隔膜吸附模块，贴终止胶带模块，自动卸料模块，裸电芯预压模块，下料模块，设备框架和大板模块。