何佳兵，杨振宇，姜无疾

(中山职业技术学院机械系，中山广东528404)

锂离子电池具有能量高、体积小、存储寿命长、无污染[1]等优点，是目前国家大力发展的清洁能源，而方形锂离子电池由于容量大、使用方便等优点而被广泛用于动力电池和手机电池。在锂离子电池的生产过程中，最为关键的就是锂电池电芯（又称卷芯）的卷绕环节。完成这一生产环节的电芯卷绕设备（即锂电池卷绕机）是决定锂电池性能品质的关键设备。在方形锂电池卷绕机中，卷绕机构的卷绕方式和性能，决定着锂电池卷绕机生产出的卷芯质量，也直接影响锂离子电池的安全性、一致性和使用寿命。

1 锂电池卷芯的卷绕工艺

卷芯是锂电池的核心，它由正、负极片和两层隔膜按照图1所示的叠放顺序，卷绕若干层后，切断并粘贴终止胶带后形成。锂电池卷芯的卷绕过程一般是先将起绝缘作用的多孔性高分子隔膜送入卷绕机构进行卷绕，然后依次送入正极片或负极片，极片夹在隔膜之间，隔膜纵向要比正负电极长，负极纵向要比正极长，这样隔膜就可包住电极，防止纵向正负极接触[2]。正、负极片上焊有极耳，卷绕后形成锂电池卷芯的正负极。如图2所示为卷绕完成的锂电池卷芯。

图1 极片和隔膜的叠放顺序

图2 锂电池卷芯示意图

随着锂电技术的发展，锂离子电池对卷芯的卷绕精度要求越来越高。锂电池生产企业往往按照锂电池产品的制造规格提出参数要求，其中，卷芯成品的宽度W，厚度T，长度H，以及卷绕对齐度是最主要的保证参数。好的卷绕对齐度直接决定了锂电池的性能，避免因对齐度不良引起的漏电、发热甚至锂电池爆炸等问题。由于卷绕过程中极片及隔膜的张力变化和跑偏等问题，卷绕参数的保证受到多种因素的影响，卷绕装置作为直接完成卷绕过程的工作部，对卷绕卷芯的一致性和质量起着决定作用。

2 方形锂电池卷绕机构的设计

2.1 卷针的设计

为了实现隔膜与极片的卷绕，在方形锂电池卷芯卷绕机构中设计使用了如图3所示的两半卷针组合形成的卷绕工作部，两半卷针的结构尺寸相同，组合后的卷针内表面之间具有一个大于等于锂电池隔膜厚度的间隙，以使张紧的隔膜材料穿过此间隙。

在卷绕过程中，随着卷芯外径的不断增加，卷针被缠绕挤压，造成卷绕完成后拔针困难，甚至带出内层隔膜，破坏卷芯的对齐度，以至无法生产出合格的产品，为解决这个问题，一是将卷针与卷芯相接触的外表面设计成扁平弧面，两半卷针组合后的针体外形呈宝剑状，以减少卷芯退针时与卷芯之间的滑动摩擦力，二是通过卷针的结构设计来保证其工作时能够顺利退针。

如图3所示的卷针包括左端的方形转动柄、连接两卷针的销孔、针体和圆弧端伸出的半圆柱体，转动柄的中线与圆弧端半圆柱体的轴线重合，并偏离针体的对称中心线。

图3 卷针示意图

如图4所示，卷针通过连接块和卷绕动力轴相连，组合后卷针转动柄端插入方形的连接块腔体中，并由销轴相联接，连接块的图示位置上设有弹簧滚珠机构，卷针的转动柄在弹簧滚珠机构的压紧力作用下，可以绕销轴转动。卷芯挡套用于在卷针退针时将卷芯挡落。轴套装置用于配合卷针圆弧端的针头圆柱，以实现电芯卷绕。

卷针的穿针卷绕过程如图4所示。两卷针在推针气缸的作用下伸出，并穿过张紧的电池隔膜，同时，两卷针组合形成的针头圆柱体正好套进轴套装置的轴套里，两卷针组合开启，使两个卷针组合所成的外形，成为一个基本规则的矩形，保证了卷绕方形锂电池卷芯时的卷绕精度。

图4 卷针穿针卷绕过程

卷芯卷绕完成后的退针过程如图5所示。两卷针在抽针气缸作用下缩回，针头圆柱从轴套中脱出，卷针装置中的滚珠在弹簧作用下使卷针闭合，两卷针相向旋转，卷针的自由端尺寸变小，这样，卷针和已卷绕完成的卷芯内表面之间形成一定间隙，随着卷针相对于挡套轴向缩进，卷绕完成并贴胶的卷芯顺利地与卷针分离，落入卷芯输送带上。

图5 卷针推针过程

2.2 卷绕驱动机构的设计

为了实现自动化的卷绕，使卷针的工作过程，即进针、卷绕、退针连续进行，卷绕机构采用了两个工位的构造设计，以实现进针卷绕和退针落料。这种两卷针、两工位的机构实现方式不但提高了卷绕效率，而且使卷绕过程有效和可靠，因此，卷绕机构中设计使用了两套卷绕驱动机构分别驱动两卷针，使用两个气缸分别来完成推针和抽针过程。其实现过程如图6所示。

图6 卷绕驱动机构

其中驱动卷针1转动的卷绕电机和驱动卷针2转动的卷绕电机分别由齿轮1和齿轮3传递动力到各自的卷绕动力轴。两组卷针机构相向布置在卷绕支架上，卷绕支架由另一个电机通过齿轮2所驱动，绕卷绕支架轴旋转，从而实现卷绕支架的翻转和两工位的连续工作。为了保证卷芯卷绕的极片长度和卷绕精度，三个驱动电机均采用伺服电机来控制。

3 结束语

锂电池的安全性取决于生产工艺[3]，锂电池电芯卷绕精度是影响锂电池成品安全性能的主要因素。卷绕精度不仅取决于锂电池卷绕机在卷绕过程中，隔膜、极片的张力控制和纠偏控制，以保证卷绕卷芯端面的对齐度，作为实现卷绕过程的卷绕机构设计更是影响最终电芯卷绕品质的关键。本文提出的锂电池卷绕机的卷绕机构，已经使用在卷绕设备中，卷绕出的卷芯达到了较高的品质要求，同时大幅度提高了生产效率。随着锂电池性能的要求越来越高，卷绕机构的技术革新越来越重要，设计出性能优越、结构优化的卷绕机构正成为锂电池卷绕设备进行技术革新的主要方向。

参考资料:

[1]徐保伯，刘务华.锂离子电池的制造及其市场[J].电池，2002，32（4）：242-244.

[2]吴雪平.锂离子电池生产过程中的重要质量管控点[J].电池，2008，38(5):305-308.

[3]杨振宇.国内锂电装备行业发展现状和趋势[J].电工工业专用设备，2010，39(7):29-31.