锂电池涂布机错位收卷技术研究

2015-10-14夏云华赵留强夏文珂

河南科技 2015年23期

关键词：收卷基材错位

夏云华　赵留强　夏文珂

（中航锂电（洛阳）有限公司，河南　洛阳　471000）

锂电池涂布机错位收卷技术研究

夏云华赵留强夏文珂

（中航锂电（洛阳）有限公司，河南洛阳471000）

锂电池生产过程中，存在连续涂布极片边缘偏厚的问题，在对齐收卷时，引起极卷边缘厚度累积，从而导致极卷边缘浆料崩裂或断带，直接影响到电池极片的质量及生产效率。针对这一问题，重新探索了收卷方法，并研发了涂布机错位收卷装置，通过该装置的应用，有效解决了传统收卷方式造成的两边厚中间薄的问题，从而改善了产品的收卷质量，提高了生产效率。

涂布；错位；收卷；防鼓边

锂离子动力电池是20世纪开发成功的新型高能电池，70年代进入实用化，因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事化和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等，部分代替了传统电池。大容量锂离子电池已在电动汽车中试用，将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求，锂离子动力电池随之进入了大规模的生产实用阶段。

涂布工序是锂电池生产过程的头道工序，涂布过程控制至关重要，极片品质直接决定了锂电池的各项性能指标及后续生产的连续性。在锂电池涂布过程中，由于刚涂出的料较湿会向边缘流动、机头刮刀的力度不均、或机头挡料板不规则等原因，致使涂敷后的基材两边厚、中间薄，生产后的基材直接由收卷装置［1］进行边缘对齐卷绕，造成极卷边缘厚度累计，从而导致极卷边缘浆料崩裂或断带，不仅影响收卷质量，并且降低了生产效率。

1　锂电池涂布技术概述

锂离子电池是由正极片、负极片、隔膜纸、电解液、外壳等主要部分组成，正、负极片均是通过涂覆方式将正、负极浆料涂覆在金属箔上，故极片的涂布在锂离子动力电池的电芯制程中是非常关键的工序。涂布是在电池生产过程中，将成卷的基材，铜箔、铝箔涂上一层特定功能的浆料，保证极片表面平整、光滑、敷料均匀、附着力好，干燥、不脱料、不掉料、无积尘、无气泡并烘干收卷。

涂布机的工艺流程如下：安放在放卷装置上的极片基材经过辊牵出，经自动纠偏后进入浮辊张力系统，调整放卷张力后进入涂布头，极片浆料按涂布系统的设定程序进行涂布。涂后的湿极片进入烘箱由热风进行干燥，干燥后的极片经张力系统调整张力，同时控制收卷速度，使它与涂布速度同步，极片经纠偏系统自动纠偏使基材保持在中心位置，由收卷装置进行整齐收卷［2］。

目前，公知的涂布机收卷装置是由纠偏系统、张力控制系统和卷绕机构等组成［3］，纠偏系统一般是用于纠偏涂布基材的偏移，其包括纠偏传感器、纠偏控制器、伺服驱动系统及纠偏装置。纠偏传感器用于检测极卷边缘位置，读出极卷实际位置与设定位置的偏移量，将偏移量转换成与之成正比的电信号，再将电信号输入给纠偏系统的纠偏控制器，信号经过放大、校准后，纠偏控制器把信号传给伺服驱动系统，伺服驱动系统根据信号的大小，驱动纠偏装置的伺服电机正反转，使极卷边缘与纠偏传感器保持对齐，从而控制基材两侧在同一垂直面上进行收卷，保证收卷后的卷材两端面平齐［4］，而张力控制系统可保证极卷卷绕过程中保持恒张力，防止拉力过大造成断带。

2　涂布收卷方式优化

为解决涂布极卷两边厚中间薄导致的极卷边缘掉料或断带问题，对涂布机传统对齐收卷方式进行了优化，研发出一种涂布机错位收卷装置，通过将涂布极卷收卷方式改造为边缘错位螺旋卷绕的方式，使极卷边缘始终处于悬空状态，有效改善了产品的收卷质量。

2.1涂布机错位收卷装置的组成

为了实现以上目的，本文所提供的涂布机错位收卷装置主要包括以下几部分：纠偏控制器及其控制的卷绕机构、用以检测极卷边缘位置的纠偏传感器以及控制纠偏传感器位置移动的横向往复运动机构。

横向往复运动机构结构示意图如图1所示，其主要包括卷绕控制单元、横移控制电机及安装在横移控制电机上的伸缩装置，纠偏传感器则固定于伸缩装置上。其中卷绕控制单元控制电机的周期性正反转，横移控制电机用于驱动伸缩装置前后限位移动，并带动纠偏传感器沿涂布走带的垂直方向做往返运动。基材在收卷过程中进入纠偏控制器的感应范围后，纠偏传感器检测到基材的位置发生变化，纠偏控制器则实时控制卷绕机构随纠偏传感器移动，从而使基材在收卷的过程中有规律的左右摆动，以此实现收卷方式的改变。

图1　错位收卷装置横向往复运动机构

其中，1为卷绕控制单元；2为横移控制电机；3为伸缩装置；4为纠偏传感器。

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2.2涂布机错位收卷装置的工作原理

卷绕控制单元是整个装置的核心，卷绕控制单元的电路原理图如图2所示。

图2　卷绕控制单元电路原理图

其中，KT1为间隔时间继电器；KT2为运行时间继电器；X1为左限位开关；X2为右限位开关；D为指示灯；KM1为指示灯继电器；KM2为左限位继电器；KM3为右限位继电器；KM4为电机反向继电器。

卷绕控制单元包括启停主电路、用于切换电机正反转控制单元的电机运行控制支路、电机反向控制支路和两限位支路以及由指示灯D和指示灯继电器KM1组成的指示灯电路。启停主电路中串接有常闭停止开关S1和常开启动开关S2，间隔时间继电器KT1的线圈支路和运行时间继电器KT2的线圈支路并联后串接在启停主电路中，两限位支路上各自均串接有一个限位开关（左限位开关X1和右限位开关X2）和一个限位继电器（左限位继电器KM2和右限位继电器KM3）的线圈。时间继电器KT1可设置电机旋转间隔时间，时间继电器KT2可设置电机运转时间，因此可根据生产需要任意调节电机运转距离。

电机正反转控制单元串接在电机运行控制支路上，用于控制横移控制电机的主电路实现电机的正反转，电机正反转控制单元电路原理图如图3所示。

图3　电机正反转控制单元电路原理图

其中，RT1为电机反转线圈，RT2为电机正转线圈，CAP为启动电容。

错位收卷装置的收卷控制过程如下：卷绕控制单元控制横移控制电机有规律的正反转，横移控制电机旋转并带动伸缩装置沿涂布走带的垂直方向有规律的往返运动，从而带动纠偏传感器进行周期性的往返运动。纠偏传感器将检测到的涂布基材位置变化信号反馈给纠偏控制器，纠偏控制器实时控制卷绕机构跟随纠偏传感器做往返运动，这样就实现了极卷由边缘对齐卷绕变成了边缘错位螺旋卷绕，这种卷绕方式能分散边缘厚度累积，并使极卷边缘始终处于悬空状态，以此达到减少边缘所受拉力的目的。

2.3涂布机错位收卷装置的收卷状态

应用错位收卷装置后得到的极卷结构图如图4所示。通过改进涂布收卷方式，得到的极卷的边缘层与层之间依次产生错位。在收卷控制过程中，先是由外向内依次产生错位，层与层之间逐步叠加，当控制电路控制极卷由外向内错位到传感器限位时，再控制极卷由内向外产生逐步错位叠加，从而保证了极卷边缘成悬空状态。