卷针形状对卷芯质量的影响有哪些（卷针形状对卷芯质量的影响大吗）

锂电池电芯的卷绕工艺一般是用两个卷绕针夹住两层隔膜进行预卷，然后依次送入正极片或负极片，将电极片夹在两层隔膜之间用于缠绕。在芯体的纵向上，隔膜超过负极隔膜，负极隔膜超过正极隔膜，以防止正负极片之间的接触短路。

针夹膜片示意图

铁芯的绕制过程是由绕线机实现的。参考上图，绕线机的主要部件及其功能包括：

1) 极片供电系统

将正负极片沿导轨输送至两层隔板的A-A面和B-B面之间，实现极片的供给；

2）隔膜放卷系统

包括上隔膜和下隔膜，实现从隔膜到绕线针的自动连续供料；

3）张力控制系统

实现卷绕过程中隔膜的恒张力控制；

4）涂胶系统

将卷芯涂胶固定；

5）卸料传动系统

自动从绕线针上取下绕线芯，然后落到自动传送带上；

6) 脚踏开关

当无异常情况时，踩下脚踏开关，控制绕线正常进行；

7）人机交互界面

实现参数设置、手动调试、报警提示等功能。

从上面对卷绕工艺的分析可以看出，电芯卷绕包括两个不可避免的过程：推针和退针。

推针过程：两根针辊在推针气缸的作用下伸出，分别穿过隔膜两侧。然后将两根滚针组合而成的针筒插入轴套中。针辊闭合以夹紧隔膜。同时，两根卷针合并形成一个基本对称的规则形状，作为卷芯的核心。推针过程示意图

退针过程：绕芯完成后，两针在退针气缸的作用下回缩，针气缸退出套筒。滚针装置中的滚珠在弹簧的作用下使针靠近，两针面对面。绕线时，绕线针自由端尺寸变小，绕线针与绕线芯内表面之间形成一定间隙。当卷绕针相对于止挡件缩回时，实现了卷绕针与卷芯的顺利分离。退针过程图

上述推针、退针中的“针”指的是缠绕针。绕线针作为绕线机的核心部件，影响绕线速度和绕线芯的质量。目前绕线机大多采用圆形或椭圆形。和扁平菱形滚针。对于圆形、椭圆形的滚针，由于有一定的曲率，会导致电芯极耳变形。在后续的电芯压制过程中，也容易造成电芯内部起皱、变形。对于扁平菱形滚针，绕线针的长轴和短轴尺寸差异较大，极片和膜片的张力变化较大。它需要驱动电机进行变速缠绕。工艺过程难以控制，卷绕速度普遍较低。

常见滚针示意图

我们以最复杂、最常见的扁平菱形滚针为例简单介绍一下。在其卷绕和旋转过程中，正负极片和隔膜始终有六个角点B、C、D、E、F、G作为支撑点进行卷绕。

扁菱形滚针旋转示意图

因此，绕制过程可以分为分别以OB、OC、OD、OE、OF、OG为半径的分段绕制，即只需以下 0、 1、 2、 3、 4分析、5、6、7 七个角度范围内线速度的变化，可以完整定量地描述滚针的周期性旋转过程。

针不同角度旋转示意图

根据三角函数关系，可以容易地推导出以下关系：

从上式不难看出，当卷绕针以恒定角速度卷绕时，卷绕的线速度和卷绕针支撑点与正负极片和隔膜之间形成的角度是分段的功能关系。通过Matlab仿真2它们之间的图像关系如下：

不同角度位置绕针线速度变化

由此可以直观地看出，图中扁菱形针在缠绕过程中最大线速度与最小线速度之比可高达10倍以上。如此大的线速度变化会增加正负极片和隔膜的张力。波动较大，这是造成收卷张力波动的主要原因。

张力波动过大可能会导致隔膜在卷绕过程中被拉伸。卷绕完成后隔膜会收缩。型芯压制后，型芯内角处的层距较小。在充电过程中，极片的膨胀在铁芯的宽度方向上产生应力。如果不集中，会产生弯矩，导致极片扭曲，制备的锂电池最终呈现“S”形变形。

目前，由于绕线针形状造成的线芯质量差的问题（主要是变形问题）通常采用变张力绕线和变速绕线两种方法来解决。

1）变张力收卷

以圆柱电池为例，在角速度恒定的情况下，线速度随着卷绕层数的增加而增加，导致张力增加。变张力收卷是指通过张力控制系统，施加在极片或振膜上的张力随着收卷层数的增加而线性减小，从而使整个收卷过程在转速不变的情况下仍能尽可能地保持不变。保持持续紧张。

通过大量的变张力缠绕实验，得出以下结论：

A。收卷张力越小，对卷芯变形的改善效果越好；

b.恒速收卷过程中，随着卷芯直径的增大，张力呈线性下降，比恒张力收卷变形的风险更低。

2) 变速绕线

以方形电池为例，通常采用扁平菱形绕线针。当绕线针以恒定角速度绕线时，根据上述分析可以看出，线速度波动较大，导致绕线芯内角处的层距差异较大。此时，需要根据线速度的变化反推出转速的变化规律，即绕线的转速随角度的变化而变化，这样绕线过程中的线速度波动为尽可能小，从而保证张力在较小的幅度范围内波动。

结论：卷针形状可能会影响极耳平整度（电芯成品率和电性能）、卷绕速度（生产效率）、卷芯内部应力均匀性（外观变形问题）等。对于圆柱形电池，圆形电池更适合通常使用。对于方形电池，通常采用椭圆形或扁平菱形滚针（某些情况下也可以采用圆形滚针进行卷绕，将电芯压扁形成方芯）。