方形鋰電池卷繞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

何佳兵，楊振宇，姜無疾

(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(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(nèi)層隔膜，破壞卷芯的對(duì)齊度，以至無法生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，為解決這個(gè)問題，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，二是通過卷針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證其工作時(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(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(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分離，落入卷芯輸送帶上。

圖5 卷針推針過程

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)氣缸分別來完成推針和抽針過程。其實(shí)現(xiàn)過程如圖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)來控制。

3 結(jié)束語

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越高，卷繞機(jī)構(gòu)的技術(shù)革新越來越重要，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.