何佳兵，楊振宇，姜無(wú)疾

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，中山廣東528404)

鋰離子電池具有能量高、體積小、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)、無(wú)污染[1]等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)家大力發(fā)展的清潔能源，而方形鋰離子電池由于容量大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于動(dòng)力電池和手機(jī)電池。在鋰離子電池的生產(chǎn)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的就是鋰電池電芯（又稱卷芯）的卷繞環(huán)節(jié)。完成這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的電芯卷繞設(shè)備（即鋰電池卷繞機(jī)）是決定鋰電池性能品質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。在方形鋰電池卷繞機(jī)中，卷繞機(jī)構(gòu)的卷繞方式和性能，決定著鋰電池卷繞機(jī)生產(chǎn)出的卷芯質(zhì)量，也直接影響鋰離子電池的安全性、一致性和使用壽命。

1 鋰電池卷芯的卷繞工藝

卷芯是鋰電池的核心，它由正、負(fù)極片和兩層隔膜按照?qǐng)D1所示的疊放順序，卷繞若干層后，切斷并粘貼終止膠帶后形成。鋰電池卷芯的卷繞過(guò)程一般是先將起絕緣作用的多孔性高分子隔膜送入卷繞機(jī)構(gòu)進(jìn)行卷繞，然后依次送入正極片或負(fù)極片，極片夾在隔膜之間，隔膜縱向要比正負(fù)電極長(zhǎng)，負(fù)極縱向要比正極長(zhǎng)，這樣隔膜就可包住電極，防止縱向正負(fù)極接觸[2]。正、負(fù)極片上焊有極耳，卷繞后形成鋰電池卷芯的正負(fù)極。如圖2所示為卷繞完成的鋰電池卷芯。

圖1 極片和隔膜的疊放順序

圖2 鋰電池卷芯示意圖

隨著鋰電技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池對(duì)卷芯的卷繞精度要求越來(lái)越高。鋰電池生產(chǎn)企業(yè)往往按照鋰電池產(chǎn)品的制造規(guī)格提出參數(shù)要求，其中，卷芯成品的寬度W，厚度T，長(zhǎng)度H，以及卷繞對(duì)齊度是最主要的保證參數(shù)。好的卷繞對(duì)齊度直接決定了鋰電池的性能，避免因?qū)R度不良引起的漏電、發(fā)熱甚至鋰電池爆炸等問(wèn)題。由于卷繞過(guò)程中極片及隔膜的張力變化和跑偏等問(wèn)題，卷繞參數(shù)的保證受到多種因素的影響，卷繞裝置作為直接完成卷繞過(guò)程的工作部，對(duì)卷繞卷芯的一致性和質(zhì)量起著決定作用。

2 方形鋰電池卷繞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 卷針的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)隔膜與極片的卷繞，在方形鋰電池卷芯卷繞機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)使用了如圖3所示的兩半卷針組合形成的卷繞工作部，兩半卷針的結(jié)構(gòu)尺寸相同，組合后的卷針內(nèi)表面之間具有一個(gè)大于等于鋰電池隔膜厚度的間隙，以使張緊的隔膜材料穿過(guò)此間隙。

在卷繞過(guò)程中，隨著卷芯外徑的不斷增加，卷針被纏繞擠壓，造成卷繞完成后拔針困難，甚至帶出內(nèi)層隔膜，破壞卷芯的對(duì)齊度，以至無(wú)法生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，為解決這個(gè)問(wèn)題，一是將卷針與卷芯相接觸的外表面設(shè)計(jì)成扁平弧面，兩半卷針組合后的針體外形呈寶劍狀，以減少卷芯退針時(shí)與卷芯之間的滑動(dòng)摩擦力，二是通過(guò)卷針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證其工作時(shí)能夠順利退針。

如圖3所示的卷針包括左端的方形轉(zhuǎn)動(dòng)柄、連接兩卷針的銷(xiāo)孔、針體和圓弧端伸出的半圓柱體，轉(zhuǎn)動(dòng)柄的中線與圓弧端半圓柱體的軸線重合，并偏離針體的對(duì)稱中心線。

圖3 卷針示意圖

如圖4所示，卷針通過(guò)連接塊和卷繞動(dòng)力軸相連，組合后卷針轉(zhuǎn)動(dòng)柄端插入方形的連接塊腔體中，并由銷(xiāo)軸相聯(lián)接，連接塊的圖示位置上設(shè)有彈簧滾珠機(jī)構(gòu)，卷針的轉(zhuǎn)動(dòng)柄在彈簧滾珠機(jī)構(gòu)的壓緊力作用下，可以繞銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。卷芯擋套用于在卷針退針時(shí)將卷芯擋落。軸套裝置用于配合卷針圓弧端的針頭圓柱，以實(shí)現(xiàn)電芯卷繞。

卷針的穿針卷繞過(guò)程如圖4所示。兩卷針在推針氣缸的作用下伸出，并穿過(guò)張緊的電池隔膜，同時(shí)，兩卷針組合形成的針頭圓柱體正好套進(jìn)軸套裝置的軸套里，兩卷針組合開(kāi)啟，使兩個(gè)卷針組合所成的外形，成為一個(gè)基本規(guī)則的矩形，保證了卷繞方形鋰電池卷芯時(shí)的卷繞精度。

圖4 卷針穿針卷繞過(guò)程

卷芯卷繞完成后的退針過(guò)程如圖5所示。兩卷針在抽針氣缸作用下縮回，針頭圓柱從軸套中脫出，卷針裝置中的滾珠在彈簧作用下使卷針閉合，兩卷針相向旋轉(zhuǎn)，卷針的自由端尺寸變小，這樣，卷針和已卷繞完成的卷芯內(nèi)表面之間形成一定間隙，隨著卷針相對(duì)于擋套軸向縮進(jìn)，卷繞完成并貼膠的卷芯順利地與卷針?lè)蛛x，落入卷芯輸送帶上。

圖5 卷針推針過(guò)程

2.2 卷繞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的卷繞，使卷針的工作過(guò)程，即進(jìn)針、卷繞、退針連續(xù)進(jìn)行，卷繞機(jī)構(gòu)采用了兩個(gè)工位的構(gòu)造設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)針卷繞和退針落料。這種兩卷針、兩工位的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式不但提高了卷繞效率，而且使卷繞過(guò)程有效和可靠，因此，卷繞機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)使用了兩套卷繞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)兩卷針，使用兩個(gè)氣缸分別來(lái)完成推針和抽針過(guò)程。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示。

圖6 卷繞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

其中驅(qū)動(dòng)卷針1轉(zhuǎn)動(dòng)的卷繞電機(jī)和驅(qū)動(dòng)卷針2轉(zhuǎn)動(dòng)的卷繞電機(jī)分別由齒輪1和齒輪3傳遞動(dòng)力到各自的卷繞動(dòng)力軸。兩組卷針機(jī)構(gòu)相向布置在卷繞支架上，卷繞支架由另一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪2所驅(qū)動(dòng)，繞卷繞支架軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)卷繞支架的翻轉(zhuǎn)和兩工位的連續(xù)工作。為了保證卷芯卷繞的極片長(zhǎng)度和卷繞精度，三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用伺服電機(jī)來(lái)控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋰電池的安全性取決于生產(chǎn)工藝[3]，鋰電池電芯卷繞精度是影響鋰電池成品安全性能的主要因素。卷繞精度不僅取決于鋰電池卷繞機(jī)在卷繞過(guò)程中，隔膜、極片的張力控制和糾偏控制，以保證卷繞卷芯端面的對(duì)齊度，作為實(shí)現(xiàn)卷繞過(guò)程的卷繞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更是影響最終電芯卷繞品質(zhì)的關(guān)鍵。本文提出的鋰電池卷繞機(jī)的卷繞機(jī)構(gòu)，已經(jīng)使用在卷繞設(shè)備中，卷繞出的卷芯達(dá)到了較高的品質(zhì)要求，同時(shí)大幅度提高了生產(chǎn)效率。隨著鋰電池性能的要求越來(lái)越高，卷繞機(jī)構(gòu)的技術(shù)革新越來(lái)越重要，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的卷繞機(jī)構(gòu)正成為鋰電池卷繞設(shè)備進(jìn)行技術(shù)革新的主要方向。

參考資料:

[1]徐保伯，劉務(wù)華.鋰離子電池的制造及其市場(chǎng)[J].電池，2002，32（4）：242-244.

[2]吳雪平.鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程中的重要質(zhì)量管控點(diǎn)[J].電池，2008，38(5):305-308.

[3]楊振宇.國(guó)內(nèi)鋰電裝備行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].電工工業(yè)專用設(shè)備，2010，39(7):29-31.