卷绕工艺控制关键点及其设备
锂离子电池卷绕是关键工艺过程。一般地，将正负极片、隔膜、正负极耳、保护胶带、终止胶带等物料固定在各自放料轴上，设备经过自动放卷，自动纠偏定位完成正负极耳的焊接、保护胶带的贴覆、电芯卷绕、贴终止胶及下料到输送带等动作。最终，电芯在卷绕过程中一次性完成，减少装配过程中的人为干预，减少极片过程损伤，能够提高电芯装配质量。卷绕机的张力控制、电芯/极耳对齐度和切位毛刺等技术一直是行业痛点，也是卷绕机设备厂家提升和突破的方向。
卷绕机原理
①预卷绕：正负极片初始送极片过程，该过程中正负极片是送极片电机以恒定的速度控制送料速度，需要控制卷针的旋转角速度与该送极片速度匹配。该过程涉及6个电机。其中涉及两类同步：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。
②卷绕过程：在完成了正负极片初始送极片过程后，正负极片被隔膜裹紧，并绕卷针缠绕一周后的卷绕。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，以保证卷绕过程中料卷的恒定张力。
另外，卷绕过程中，我们实际控制的是各电机转动频率，而实际速度是各料卷以及卷针卷绕实际半径的函数，该半径是动态变化过程。目前，在没有实际传感器测量的情况下，我们假设料卷一次上料后，中间半径的变化规律完全符合阿基米德螺旋线定律，不考虑其中人为换卷的影响。而且初始卷料半径通过程序预先设定。
卷绕机的张力控制
张力控制系统由张力检测传感器、张力执行机构和显示储存模块组成。张力执行机构包括直线电机、低摩擦气缸或伺服电机等。张力检测机构尽可能靠近卷针机构。通过有效地控制物料走带张力，可以实现逐圈张力设置、调控的功能。要做到精准控制，不能因卷绕张力问题造成裸电芯变形。
卷绕过程中，随着卷径的逐渐加大，为保证电芯的紧实度，张力会逐渐加大。在每一圈极片内，需控制张力的波动在一定的范围内。单圈内极片、隔膜张力波动情况如图2所示。
图2 极片单圈内极片、隔膜张力波动情况
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。
图3 松散卷芯和密实卷芯的断面形貌
电芯/极耳对齐度
电芯卷绕时，为了防止正极扩散过来的锂离子在负极有对应场所接纳嵌入晶格，负极必须全部包裹正极，并有一定尺寸余量。同时为了避免短路，隔膜必须包裹负极。因此，如图4所示，卷绕电芯在长度方向必须保证负极具有余量，隔膜包裹负极。极片相对位置非常关键，具体参数包括隔膜长度M，以及与负极的相对尺寸J、K等。另外，正负极之间的相对位置L等。这些尺寸受到极片涂布规格、卷绕工艺等影响。
另外，在极片宽度方向上，负极也需要超出正极一定余量V，隔膜超出负极一定余量W。宽度方向的对齐度直接由卷绕工艺精度决定，精度高时，余量尺寸可以更小，电池能量密度更高。但是，电池安全性系数降低，必须确保工艺精度，否则对电池存在巨大安全隐患。卷芯每层极片的对齐度一般采用X-射线全部检测，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自动报警剔除不良品。
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
极片切刀长期使用会出现磨损，影响切断效果，因此切刀需要进行寿命管理，定期检测切断质量，避免毛刺。一般切断毛刺观察过程为：取切断极片，在光学显微镜下观察切断面，检测是否存在毛刺。关于毛刺的管控标准，一般毛刺尺寸小于隔膜厚度的一半，但是有些厂家控制要求更加严格，毛刺不超出涂层。
图6 极片切断毛刺观察
三一高速卷绕机，可有效满足锂电池单线大产能需求，在卷绕效率、少人化、良品率等关键指标上再拱一卒。竞争白热化阶段，卷绕线速度已经成为卷绕设备的基础指标，市场反馈更强烈的痛点已经变成质量、价值和体验。质量包括对极片毛刺，极片打皱，极片对齐度以及除尘的控制，即如何产出一只卓越的电芯；价值则是设备对应的稳定性、能耗、运营成本等；体验则是使用者对设备的情绪价值，便捷流畅、智能化操作才最能让使用者省心省力。
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