方形鋰電池卷繞機構的設計

何佳兵，楊振宇，姜無疾

(中山職業技術學院機械系，中山廣東528404)

鋰離子電池具有能量高、體積小、存儲壽命長、無污染[1]等優點，是目前國家大力發展的清潔能源，而方形鋰離子電池由于容量大、使用方便等優點而被廣泛用于動力電池和手機電池。在鋰離子電池的生產過程中，最為關鍵的就是鋰電池電芯（又稱卷芯）的卷繞環節。完成這一生產環節的電芯卷繞設備（即鋰電池卷繞機）是決定鋰電池性能品質的關鍵設備。在方形鋰電池卷繞機中，卷繞機構的卷繞方式和性能，決定著鋰電池卷繞機生產出的卷芯質量，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、負極片和兩層隔膜按照圖1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構進行卷繞，然后依次送入正極片或負極片，極片夾在隔膜之間，隔膜縱向要比正負電極長，負極縱向要比正極長，這樣隔膜就可包住電極，防止縱向正負極接觸[2]。正、負極片上焊有極耳，卷繞后形成鋰電池卷芯的正負極。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

隨著鋰電技術的發展，鋰離子電池對卷芯的卷繞精度要求越來越高。鋰電池生產企業往往按照鋰電池產品的制造規格提出參數要求，其中，卷芯成品的寬度W，厚度T，長度H，以及卷繞對齊度是最主要的保證參數。好的卷繞對齊度直接決定了鋰電池的性能，避免因對齊度不良引起的漏電、發熱甚至鋰電池爆炸等問題。由于卷繞過程中極片及隔膜的張力變化和跑偏等問題，卷繞參數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程的工作部，對卷繞卷芯的一致性和質量起著決定作用。

2 方形鋰電池卷繞機構的設計

2.1 卷針的設計

為了實現隔膜與極片的卷繞，在方形鋰電池卷芯卷繞機構中設計使用了如圖3所示的兩半卷針組合形成的卷繞工作部，兩半卷針的結構尺寸相同，組合后的卷針內表面之間具有一個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此間隙。

在卷繞過程中，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，甚至帶出內層隔膜，破壞卷芯的對齊度，以至無法生產出合格的產品，為解決這個問題，一是將卷針與卷芯相接觸的外表面設計成扁平弧面，兩半卷針組合后的針體外形呈寶劍狀，以減少卷芯退針時與卷芯之間的滑動摩擦力，二是通過卷針的結構設計來保證其工作時能夠順利退針。

如圖3所示的卷針包括左端的方形轉動柄、連接兩卷針的銷孔、針體和圓弧端伸出的半圓柱體，轉動柄的中線與圓弧端半圓柱體的軸線重合，并偏離針體的對稱中心線。

圖3 卷針示意圖

如圖4所示，卷針通過連接塊和卷繞動力軸相連，組合后卷針轉動柄端插入方形的連接塊腔體中，并由銷軸相聯接，連接塊的圖示位置上設有彈簧滾珠機構，卷針的轉動柄在彈簧滾珠機構的壓緊力作用下，可以繞銷軸轉動。卷芯擋套用于在卷針退針時將卷芯擋落。軸套裝置用于配合卷針圓弧端的針頭圓柱，以實現電芯卷繞。

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

圖4 卷針穿針卷繞過程

卷芯卷繞完成后的退針過程如圖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，卷針的自由端尺寸變小，這樣，卷針和已卷繞完成的卷芯內表面之間形成一定間隙，隨著卷針相對于擋套軸向縮進，卷繞完成并貼膠的卷芯順利地與卷針分離，落入卷芯輸送帶上。

圖5 卷針推針過程

2.2 卷繞驅動機構的設計

為了實現自動化的卷繞，使卷針的工作過程，即進針、卷繞、退針連續進行，卷繞機構采用了兩個工位的構造設計，以實現進針卷繞和退針落料。這種兩卷針、兩工位的機構實現方式不但提高了卷繞效率，而且使卷繞過程有效和可靠，因此，卷繞機構中設計使用了兩套卷繞驅動機構分別驅動兩卷針，使用兩個氣缸分別來完成推針和抽針過程。其實現過程如圖6所示。

圖6 卷繞驅動機構

其中驅動卷針1轉動的卷繞電機和驅動卷針2轉動的卷繞電機分別由齒輪1和齒輪3傳遞動力到各自的卷繞動力軸。兩組卷針機構相向布置在卷繞支架上，卷繞支架由另一個電機通過齒輪2所驅動，繞卷繞支架軸旋轉，從而實現卷繞支架的翻轉和兩工位的連續工作。為了保證卷芯卷繞的極片長度和卷繞精度，三個驅動電機均采用伺服電機來控制。

3 結束語

鋰電池的安全性取決于生產工藝[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在卷繞過程中，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齊度，作為實現卷繞過程的卷繞機構設計更是影響最終電芯卷繞品質的關鍵。本文提出的鋰電池卷繞機的卷繞機構，已經使用在卷繞設備中，卷繞出的卷芯達到了較高的品質要求，同時大幅度提高了生產效率。隨著鋰電池性能的要求越來越高，卷繞機構的技術革新越來越重要，設計出性能優越、結構優化的卷繞機構正成為鋰電池卷繞設備進行技術革新的主要方向。

參考資料:

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

[2]吳雪平.鋰離子電池生產過程中的重要質量管控點[J].電池，2008，38(5):305-308.

[3]楊振宇.國內鋰電裝備行業發展現狀和趨勢[J].電工工業專用設備，2010，39(7):29-31.