Batería de litio Los 10 equipos clave principales - Máquina de bobinado - Tecnología Taipu

El bobinado se refiere a un proceso de producción en el que las láminas de electrodos, separadores y cintas de terminación con dimensiones coincidentes, que se han cortado en tiras, se enrollan en rollos de gelatina controlando factores como la velocidad, la tensión, el tamaño y la desviación de las láminas de electrodos. 01. Descripción general de la clasificación del equipo de bobinado Clasificación de las máquinas de bobinado convencionales Las máquinas de bobinado de batería de litio se utilizan para ...

Batería de litio Los 10 equipos clave principales: máquina de bobinado

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El bobinado se refiere a un proceso de producción en el que las láminas de electrodos, separadores y cintas de terminación con dimensiones coincidentes, que se han cortado en tiras, se enrollan en rollos de gelatina controlando factores como la velocidad, la tensión, el tamaño y la desviación de las láminas de electrodos.

01. Descripción general de la clasificación de equipos de bobinado

Clasificación de las máquinas bobinadoras convencionales

Las máquinas bobinadoras de baterías de litio se utilizan para bobinar celdas de baterías de litio y son máquinas que ensamblan la hoja de electrodo positivo, la hoja de electrodo negativo y el separador en un paquete central a través de una rotación continua. La máquina de bobinado consta de unidades de alimentación de electrodos positivos y negativos, y la parte donde se enrollan los separadores de electrodos positivos y negativos se llama aguja de bobinado.

Según las diferentes formas de los paquetes de núcleos bobinados, el equipo de bobinado se puede dividir principalmente en dos categorías: bobinado prismático y bobinado cilíndrico. El bobinado prismático se puede dividir a su vez en máquinas de bobinado automáticas prismáticas y máquinas de bobinado de lengüetas prismáticas. Las celdas de batería producidas a través del bobinado prismático se utilizan principalmente para la fabricación de baterías prismáticas de almacenamiento de energía/energía, baterías digitales, etc. En la Figura se muestran varios tipos de equipos de bobinado de baterías.

Figura: Diferentes tipos de equipos de bobinado de baterías

Las máquinas bobinadoras se pueden clasificar en categorías según su nivel de automatización, como máquinas manuales, semiautomáticas, totalmente automáticas e integradas. También se pueden clasificar en función del tamaño de los paquetes principales que producen, incluidos pequeños, medianos, grandes y extragrandes.

Tabla 1: Tabla comparativa de las especificaciones de la máquina bobinadora y los tamaños de los paquetes de núcleos

La aparición de equipos de producción automatizados para baterías de litio comenzó con el desarrollo exitoso de la primera máquina bobinadora prismática de baterías de litio por parte de Kaido, una empresa japonesa, en 1990. En 1999, la empresa coreana Koem desarrolló con éxito máquinas bobinadoras de baterías de litio y máquinas de ensamblaje. Posteriormente, se inició el desarrollo de equipos de producción automatizados para baterías de litio, manteniéndose Japón y Corea como líderes en este campo, ocupando la mayor cuota de mercado debido a su excelente tecnología y reputación. El equipo de fabricación de bobinado doméstico en China comenzó en 2006, inicialmente con máquinas de bobinado circulares y prismáticas semiautomáticas, seguidas de máquinas integradas automatizadas de fabricación de pestañas y bobinado.

1.2 Desafíos en el desarrollo de procesos de bobinado

Es innegable que el proceso de bobinado tiene ventajas significativas en términos de equipos de producción, procesos tecnológicos, eficiencia y costo, basados en años de acumulación tecnológica. Sin embargo, con la creciente demanda de estandarización, alta capacidad y baterías de potencia de grado automotriz de gran tamaño, el proceso de bobinado enfrenta desafíos y limitaciones.

El texto describe las características estructurales estándar de una célula herida, con regiones de esquinas redondeadas en ambos extremos. Durante los procesos de carga y descarga de la batería, la expansión y contracción inconsistentes pueden provocar un aumento en el espacio entre las placas de electrodos y el separador. Cuando el electrolito no es suficiente en esta área, puede afectar el rendimiento de la capacidad y el uso a largo plazo puede plantear problemas de seguridad relacionados con el revestimiento de litio. Además, con la creciente demanda de una mayor densidad de energía, se están introduciendo gradualmente materiales de ánodo a base de silicio. Sin embargo, debido a la expansión significativa de los ánodos a base de silicio, existe el riesgo de rotura de la placa interna del electrodo en el conjunto del electrodo enrollado, lo que afecta la vida útil de la batería y limita la cantidad de material de silicio que se puede agregar.

Diagrama esquemático del área redondeada en la celda de la batería enrollada
Deformación de la celda de la batería enrollada
Deformación del espacio en el área redondeada de la celda de la batería enrollada

1.3 Dirección de desarrollo futuro de la máquina bobinadora

(1) Alta velocidad y alta precisión: la velocidad lineal de las piezas de electrodo de bobinado aumentará de los actuales 2-3 m / s a 5 m / s, y la precisión de alineación de las piezas de electrodo de bobinado mejorará de la actual ±0,3 mm a ± (0,1-0,2) mm.

(2) Alta tasa de calificación: CPK aumentará de 1.33 a 1.67, y eventualmente alcanzará por encima de 2.0, logrando un nivel de cero defectos.

(3) Estabilidad: Aumentar el tiempo promedio entre fallas, de las actuales decenas o cientos de horas a miles o decenas de miles de horas.

(4) Control digital e inteligente del equipo: monitoreo en línea de la tensión del devanado, alineación de las piezas de electrodos y separadores, optimización de circuito cerrado de los parámetros del devanado y los parámetros finales de rendimiento de la batería, lo que lleva a una mejora en la tasa de calificación del devanado.

(5) Integración de corte y bobinado por láser: Integración de procesos de corte y bobinado por láser para lograr la integración de equipos.

(6) Máquina de bobinado de alta velocidad: los avances en la tecnología de movimiento continuo y uniforme del separador darán como resultado una duplicación de la eficiencia del bobinado.

02. Principio del equipo, composición y estructuras clave

2.1 Principio de la máquina de bobinado

La máquina bobinadora se utiliza principalmente para el bobinado automático de celdas de batería desnudas prismáticas o cilíndricas. El equipo adopta una estructura con dos o más agujas de bobinado y extracción de agujas de un solo lado. Las piezas de electrodos positivos y negativos y los separadores se desenrollan activamente, y se realiza el intercambio de rodillos separador de piezas de electrodos, la corrección automática de la alineación y la detección y el control automáticos de la tensión. Las piezas de electrodo se introducen en la sección de bobinado mediante el mecanismo de accionamiento del rodillo de sujeción y se enrollan automáticamente junto con el separador de acuerdo con los requisitos del proceso. Una vez completado el bobinado, cambia automáticamente a la siguiente estación, corta el separador y aplica la cinta terminal. La celda de batería desnuda terminada se descarga automáticamente, se somete a preprensado y escaneo, y los productos calificados se transfieren automáticamente a una bandeja y luego a los procesos posteriores. Las celdas de batería desnudas defectuosas se descargan automáticamente en el área de recolección de celdas de batería desnudas defectuosas.

2.2 Explicación del mecanismo de la máquina de bobinado

(1) Prebobinado: Este es el proceso de alimentación inicial de las piezas de electrodos de electrodo positivo y negativo. Durante este proceso, las piezas de electrodos de electrodo positivo y negativo son alimentadas por un motor a una velocidad constante. La velocidad de rotación de las agujas de bobinado debe sincronizarse con la velocidad de alimentación de las piezas de electrodo. Este proceso involucra seis motores. Hay dos tipos de sincronización involucrados: sincronización entre la velocidad de desenrollado del separador y la velocidad de las agujas de bobinado, y sincronización entre la velocidad de alimentación de las piezas de electrodo y la velocidad de las agujas de bobinado.

(2) Proceso de bobinado: una vez completado el proceso de alimentación inicial de las piezas de electrodo positivo y negativo, el separador se envuelve firmemente alrededor de las piezas de electrodo y comienza el proceso de bobinado enrollándose alrededor de las agujas de bobinado durante una revolución. Durante este proceso, la velocidad de alimentación de las piezas del electrodo se ajusta detectando la tensión del rodillo de material. Este ajuste asegura una tensión constante del rollo de material durante el proceso de bobinado.

Diagrama esquemático del proceso de bobinado

El diagrama esquemático del proceso de bobinado se muestra en la figura. Este proceso involucra seis motores. Hay dos tipos de sincronización: sincronización entre la velocidad de desenrollado del separador y la velocidad de la aguja de bobinado, y sincronización entre la velocidad de alimentación de la pieza del electrodo y la velocidad de la aguja de bobinado. Los problemas de control en la etapa de prebobinado pertenecen a los problemas de control de bucle abierto, ya que no hay calibración de retroalimentación para una verdadera sincronización entre los dos. Esto requiere que establezcamos un modelo preciso de velocidad de bobinado. La medición de la tensión del rollo de material está presente durante el bobinado, lo que permite el uso de técnicas de control de retroalimentación de circuito cerrado en el proceso de control.

En el proceso de bobinado, controlamos la frecuencia de rotación de cada motor, mientras que la velocidad real es una función del radio del rodillo de material y la aguja de bobinado, que cambia dinámicamente con el tiempo. Actualmente, en ausencia de sensores reales para la medición, asumimos que el cambio en el radio intermedio del rollo de material después de un proceso de carga sigue la ley de la espiral de Arquímedes, sin considerar el impacto del cambio manual del rollo. Además, el radio inicial del material de bobinado está predeterminado en el programa.

(3) Modelado dinámico del proceso de bobinado: Dado que el proceso de prebobinado pertenece al control de bucle abierto, un modelo matemático preciso es crucial para determinar el éxito o el fracaso del sistema.

2.3 Composición del equipo y estructuras clave

Los módulos principales del equipo incluyen: Módulo de desenrollado automático de electrodo / separador, Módulo de intercambio de rodillos de electrodo / separador, Módulo de corrección automática de alineación, Módulo de rodillo guía, Módulo de guía y aplanamiento de lengüetas de electrodos, Módulo de accionamiento principal, Módulo de control de tensión, Módulo de medición / visualización y almacenamiento de tensión, Módulo de alimentación de electrodos, Dispositivo de eliminación electrostática del separador, Módulo de plegado/flexión de lengüetas de electrodos y detección de daños en electrodos, Módulo de inspección en línea CCD, Módulo de corte de electrodos, Sistema de eliminación de polvo, Módulo de rechazo para rodillos de electrodos y separadores defectuosos, Conjunto de cabezal de bobinado, Módulo de corte del separador, Módulo de adsorción del separador, Módulo de aplicación de cinta terminal, Módulo de descarga automática, Módulo de preprensado de celda desnuda, Módulo de descarga, Bastidor de equipo y módulo de panel principal.

Las estructuras clave son las siguientes:

1. Sistema de desenrollado automático del electrodo / separador: Consiste en el eje de desenrollado automático del electrodo / separador, los componentes de alimentación de la correa y la corrección de la alineación de desenrollado. Logra funciones como fijación, desenrollado automático e intercambio automático de rodillos de electrodo/separador. El eje de desenrollado adopta métodos de expansión mecánicos o neumáticos, y los bloques auxiliares y los mecanismos de detección de bordes facilitan un posicionamiento rápido.

2. Módulo automático de corrección de bordes: consta de mecanismos de corrección de múltiples niveles, que pueden emplear varios métodos, como el movimiento del eje colgante, el balanceo del rodillo guía y la conducción del rodillo de presión para la corrección del borde. Mediante la detección, el control y la visualización en tiempo real del borde del material durante el movimiento de la banda, logra la corrección en tiempo real del borde del material. El posicionamiento de los sensores está diseñado para evitar la acumulación de polvo que podría afectar la precisión de la detección del valor del borde. Los parámetros principales incluyen una precisión de alineación de desenrollado de ±0,2 mm y una precisión de alineación en proceso de ±0,1 mm.

3. Sistema de control de tensión: consta de sensores de detección de tensión, mecanismos de control de tensión y un módulo de visualización / almacenamiento. Los mecanismos de control de tensión pueden incluir motores lineales, cilindros de baja fricción o servomotores. El mecanismo de detección de tensión se coloca lo más cerca posible del mecanismo de la aguja de bobinado. Al controlar eficazmente la tensión del material durante el movimiento de la correa, permite el ajuste y la configuración de la tensión para cada ciclo de bobinado. Para lograr un control preciso, es importante evitar la deformación del electrodo desnudo debido a problemas de tensión del devanado. A medida que el diámetro del devanado aumenta gradualmente durante el proceso de bobinado, es necesario aumentar la tensión para garantizar la estanqueidad del electrodo. Dentro de cada ciclo de bobinado, es necesario controlar la fluctuación de la tensión dentro de un cierto rango.

Fluctuación de tensión del electrodo y el separador dentro de una sola vuelta de bobina

4. Módulo de alimentación de electrodos: Consiste en el mecanismo de accionamiento del rodillo de presión de electrodo positivo y negativo y el mecanismo de alimentación, responsable de la alimentación de electrodos antes del proceso de bobinado. Durante el proceso de bobinado, la posición de alimentación y la posición relativa del material permanecen sin cambios. Es deseable que los rodillos de presión de alimentación y la longitud libre del electrodo antes de ser alimentado sean lo más cortos posible, al tiempo que se garantiza una alimentación y un seguimiento adecuados. El área de alimentación de electrodos tiene la funcionalidad de soplado y guiado de aire, con monitoreo digital de presión. La dirección de soplado y guiado del aire es ajustable y está equipada con una escala de ángulos. Además, la alimentación del electrodo es eficiente, silenciosa, libre de contaminación y permite un fácil ajuste cuantificable del ángulo de inclinación.

5. Módulo de corte de electrodos: Consta de los mecanismos de prensado y corte de electrodos positivos y negativos, capaces de detectar automáticamente el orificio de marca en el extremo del electrodo (producido por troquelado láser). Una vez que se alcanza el número establecido de lengüetas de electrodos o reconociendo el espacio entre las pestañas, el módulo puede cortar el electrodo a una longitud predeterminada. También permite la funcionalidad de electrodos de corte a longitudes específicas. Se recomienda que la cuchilla de corte esté hecha de materiales duros como el acero de tungsteno, y tanto la cuchilla móvil como la cuchilla fija tienen ángulos específicos. Además, el área de corte debe tener escudos protectores de aislamiento y señales de advertencia, al mismo tiempo que debe estar tratada para evitar la adherencia.

6. Módulo para la extracción de electrodos y separadores defectuosos en bobinas simples: Consta de un servomotor, un acoplamiento y un mecanismo de guía lineal, y está programado para realizar funciones de eliminación independientes. Permite la extracción por separado de bobinas de electrodos positivos y negativos defectuosas sin separadores. Cuando se detecta un defecto en el electrodo positivo o negativo, puede eliminar automáticamente la bobina junto con el separador o eliminarlos de forma independiente por separado. Los productos defectuosos se descargan en un mecanismo separado y se recogen en una caja de rechazo. Durante el proceso de extracción de una bobina sin separadores, el electrodo no interfiere ni roza con otros componentes, lo que garantiza que no afecte la alineación del siguiente material.

7. Módulo de bobinado: consiste en un mecanismo de doble o varias estaciones equipado con servomotores duales o múltiples servomotores para impulsar los mecanismos de bobinado. Cada juego corresponde a 2 o más mecanismos de aguja de bobinado. También está equipado con un mecanismo de bloqueo y posicionamiento para la rotación de la torre después del cambio de estación. Este módulo permite el bobinado de las celdas de la batería y el cambio automático entre diferentes estaciones de bobinado, mientras se mantiene una velocidad de línea constante durante el bobinado. Puede lograr funciones como enrollar primero el electrodo positivo o negativo, así como la alimentación y el bobinado simultáneos de ambos electrodos.

Es crucial evitar la generación de pliegues internos dentro de la celda de la batería durante el proceso de bobinado. Los pliegues internos pueden provocar un recubrimiento de litio local durante el uso real de la batería, lo que plantea importantes riesgos de seguridad.

Existe una ley de las arrugas sinuosas con respecto a la generación de arrugas: para diferentes tipos de agujas enrolladas, existe la posibilidad de arrugas entre las capas del núcleo de la herida. La razón de las arrugas es que a medida que el electrodo se acumula en cada vuelta de bobinado, el radio de la capa intermedia del electrodo aumenta en δ y la longitud acumulada del electrodo también aumenta. Cuando la tasa de aumento en la longitud de la circunferencia acumulada del electrodo no es igual a la tasa de aumento en el radio de bobinado, se producen arrugas en el electrodo interno después de que la aguja de bobinado comprime el núcleo. Esto se conoce como la ley de las arrugas sinuosas.

Generalmente, las agujas de bobinado en forma de diamante, debido a sus características estructurales, experimentan fluctuaciones significativas de tensión del electrodo durante el proceso de bobinado. La tasa de crecimiento de la circunferencia del electrodo es inconsistente con la tasa de crecimiento del radio, lo que puede provocar la aparición de arrugas entre láminas. En comparación, las agujas elípticas, ovaladas y circulares no tienen el problema de las arrugas.

8. El módulo de corte de membrana consta de un mecanismo de cuchilla de corte en caliente y un mecanismo de protección, y puede cortar la membrana de acuerdo con la longitud requerida para el producto. La pieza de corte debe tener protección de seguridad para altas temperaturas y de la cuchilla, junto con señales de advertencia, y debe estar equipada con un dispositivo de aislamiento térmico. Tiene funciones como soplar aire y usar un husillo de torre giratoria para aplanar la membrana cortada, evitando arrugas en la membrana. Después de cortar la membrana, es necesario succionarla inmediatamente para evitar que la membrana se curve debido a la electricidad estática, lo que podría resultar en un mal acabado de la membrana.

9. El módulo de pegado de cinta de terminación consta de un mecanismo automático de preparación de cinta, un sensor de orificio de marca de cinta y un rodillo de aplicación de cinta. Una vez desenrollado el rollo de cinta, se prepara automáticamente a la longitud requerida. El módulo también detecta automáticamente el orificio de la marca de la cinta y lo aplica a la esquina o al extremo del núcleo del electrodo desnudo. El mecanismo de pegado de cinta de terminación está diseñado para ser adaptable, lo que permite ajustar la colocación de la cinta en función de la posición del núcleo del electrodo desnudo en la aguja de bobinado. El mecanismo de desenrollado de la cinta tiene capacidad de desenrollado activo e incluye una función antiestática.

10. El módulo de preimpresión y corte consta de un mecanismo de descarga del núcleo del electrodo desnudo, una unidad de preprensado del núcleo del electrodo desnudo y un mecanismo de transferencia del núcleo del electrodo desnudo. Descarga automáticamente el núcleo del electrodo desnudo de la aguja de bobinado y aplica el preprensado durante el proceso de transporte del núcleo del electrodo desnudo de buena calidad. Después del preprensado, se escanea el código QR en la superficie del núcleo del electrodo para vincular la información, y luego el núcleo del electrodo se transfiere a la máquina de corte a través de una cinta de transferencia. La placa de presión en contacto con el núcleo del electrodo desnudo está tratada para evitar que se pegue, y está equipada con un sensor de presión de preprensado para evitar daños en el núcleo del electrodo desnudo.

11. Sistema de eliminación de polvo: consta de un dispositivo de eliminación de polvo en el cortador de láminas de gravedad positiva, un dispositivo de cepillo, componentes de eliminación de electricidad estática, una lámina de gravedad positiva / varilla magnética local, una cubierta de eliminación de polvo separada y un sistema FFU. y la superficie de la celda desnuda y evitar que el entorno ingrese a la celda desnuda. Además, el conducto de entrada/salida del colector de polvo está hecho de materiales reforzados y antiestáticos. La pared interna del tubo es lisa. El elemento filtrante está hecho de material antiestático. El conducto de entrada de aire debe evitar giros en ángulo recto. La cubierta cerrada integral utiliza una cubierta transparente aislada y particiones para aislar diferentes áreas, a saber, el área del electrodo enfrentado, el área de contacto, el área de bobinado y el área de descarga, para evitar la mezcla entre almacenes y la mezcla externa. Al mismo tiempo, mediante el uso de un sistema FFU para controlar el flujo de aire dentro del equipo, se mantiene a una presión positiva ligeramente más alta que el entorno externo. Todos los conectores, sujetadores, cubiertas y correas giratorios en áreas propensas a fricciones y colisiones deben usar una combinación de materiales metálicos y no metálicos o completamente no metálicos. Los componentes, como los elementos neumáticos, deben estar hechos de materiales libres de cobre y zinc, y deben someterse a un tratamiento superficial para evitar la generación y contaminación de polvo de cobre y zinc.

Las tuberías de succión de presión negativa convergen en un conducto de succión principal y luego se conducen fuera del equipo. Todo el campo de flujo de aire se simula a través de modelos computacionales. El conducto de entrada requiere una cierta velocidad del aire evitando curvas bruscas. Si el ángulo de curvatura supera los 45 grados, se necesita un punto de acceso para el mantenimiento.

12. El sistema de detección de procesos de electrodos consta de múltiples conjuntos de cámaras industriales de alta resolución, fuentes de iluminación de visión artificial, estructuras de montaje, computadoras industriales y pantallas. Las cámaras CCD de visión capturan imágenes de las posiciones del electrodo del cátodo, el electrodo del ánodo, los diafragmas superior e inferior y los marcadores especificados en las cuatro esquinas de la celda de la batería. El software de visión artificial del PC analiza las distancias bidimensionales entre los bordes o límites del material y las posiciones de los marcadores. La computadora realiza cálculos en tiempo real para determinar los valores de desplazamiento entre el mismo círculo de ánodo y diafragma superior, el mismo círculo de cátodo y ánodo, el mismo círculo de cátodo AT9 y ánodo, el mismo círculo de diafragma inferior y cátodo, y el círculo anterior de cátodo y el siguiente círculo de ánodo. Estos valores se muestran en tiempo real como diagramas de dispersión, curvas y capas en un monitor o pantalla táctil. Además, el sistema monitorea los valores de desplazamiento de las celdas de la batería.

El sistema procesa los datos y calcula los valores de desplazamiento máximo, mínimo y promedio entre cada capa de núcleos de electrodos desnudos. El rango de detección abarca desde el primer círculo hasta el último círculo de la celda de la batería, lo que garantiza una inspección exhaustiva.

El esquema de detección de CCD se muestra en la figura. El sistema de detección se instala cerca del lado exterior de la aguja de bobinado de la máquina de bobinado, lo que garantiza que no interfiera con el movimiento y el funcionamiento de los componentes de bobinado. El ángulo y la distancia desde la placa grande se pueden ajustar continuamente. Los componentes estructurales deben tener una instalación firme y de alta resistencia para evitar afectar la precisión de la medición. Tanto la cámara como el objetivo están diseñados con protección contra colisiones para evitar colisiones accidentales que puedan causar desplazamientos o daños en los componentes estructurales.

Esquema de detección CCD

03.Selección de dispositivos y casos de aplicación

(1) Clarificar el proceso entrante

Confirme los requisitos de compatibilidad de los materiales entrantes, incluidos parámetros como el ancho y el rango de espesor de las láminas de electrodos positivos y negativos, los bordes ondulados, las curvas serpentinas, el diámetro de la bobina y el diámetro interior del carrete.

(2) Aclarar las especificaciones del producto

(1) Confirme la compatibilidad de las especificaciones de la celda desnuda, incluidos los parámetros principales como el grosor de la celda, el ancho, la altura, etc.

Ejemplo de especificaciones de celda

Dimensiones de la celda como se muestra en el diagrama

Ilustración de las dimensiones de la celda

Clarifice el proceso de aplicación de adhesivo, ya sea que utilice adhesivo de una o dos caras. Especifique dimensiones como el ancho de la cinta y la longitud del adhesivo.

(3)Clarificar la configuración del equipo

(1) Configuración funcional: Según el proceso entrante y las especificaciones del producto, confirme los requisitos generales de configuración del equipo. La configuración de desenrollado incluye desenrollado doble para electrodos positivos y negativos con función de cambio automático de carrete, desenrollado de doble eje para la membrana de separación y cambio manual de carrete. El control de desalineación incluye tres o más niveles de corrección de desalineación durante el proceso de electrodos. El cabezal de bobinado adopta una transmisión directa, y los tipos de agujas de bobinado incluyen agujas en forma de diamante, elípticas o circulares, con una opción de configuración de aguja doble o triple. La alimentación de la aguja emplea un mecanismo de agarre doble para la alimentación. Después de la alimentación de la célula, se realiza un preprensado antes del proceso de alimentación posterior.

(2) Establecer y hacer cumplir las especificaciones generales para los sistemas mecánicos, eléctricos y de información.

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