在鋰離子電池的制造流程中，通常存在多種工序劃分方式。流程可分為電極制造、裝配過程和電芯檢測三大工序（如下圖所示），也有公司將其劃分為卷繞前工序和卷繞后工序，這一分界點便是卷繞工序。因其強(qiáng)大的集成功能，能使電池外觀初步成型，所以卷繞工序在鋰離子電池制造中充當(dāng)著樞紐角色，是關(guān)鍵所在，卷繞工序所生產(chǎn)的卷芯常被稱為裸電芯（Jelly-Roll，簡稱 JR）。
鋰離子電池制造流程
鋰離子電池制造流程中，卷芯卷繞過程的示意圖如下。具體操作是通過卷繞機(jī)的卷針機(jī)構(gòu)，將正極片、負(fù)極片和隔離膜卷制在一起，相鄰的正負(fù)極片由隔離膜隔絕以防短路。卷繞結(jié)束后，利用收尾膠紙固定，防止卷芯散開，隨后流轉(zhuǎn)至下一工序。在此過程中，關(guān)鍵在于確保正負(fù)極之間不發(fā)生物理接觸短路，并且負(fù)極片在橫、縱兩個方向都能完全覆蓋正極片。
卷繞過程示意圖
在卷芯的卷繞過程中，一般先由兩卷針夾緊兩層隔膜進(jìn)行預(yù)卷，接著依次送入正極片或負(fù)極片，極片分別夾在兩層隔膜之間進(jìn)行卷繞。在卷芯縱向方向，隔膜超出負(fù)極膜片，負(fù)極膜片超出正極膜片，以此避免正、負(fù)極片之間接觸短路。
卷針夾緊隔膜示意圖
自動卷繞機(jī)實物圖
卷繞機(jī)是實現(xiàn)卷芯卷繞過程的關(guān)鍵設(shè)備。參考上圖，其主要組成部分及功能如下：
1. 極片供給系統(tǒng)：分別將正、負(fù)極片沿導(dǎo)軌輸送至兩層隔膜的 A-A 面和 B-B 面之間，確保極片的穩(wěn)定供給。
2. 隔膜放卷系統(tǒng)：包含上隔膜和下隔膜，實現(xiàn)隔膜向卷針的自動連續(xù)供應(yīng)。
3. 張力控制系統(tǒng)：對卷繞過程中的隔膜進(jìn)行恒張力控制。
4. 收尾貼膠系統(tǒng)：為卷繞后的卷芯進(jìn)行貼膠固定操作。
5. 卸料傳輸系統(tǒng)：將卷芯從卷針上自動拆卸，并使其掉落至自動傳輸帶上。
6. 腳踏開關(guān)：在無異常狀況時，踩下腳踏開關(guān)可控制卷繞正常運行。
7. 人機(jī)交互界面：具備參數(shù)設(shè)定、手動調(diào)試、報警提示等功能。
從上述卷繞過程分析可知，電芯卷繞包含兩個不可避免的環(huán)節(jié)：推針和抽針。
推針過程：兩卷針在推針氣缸作用下伸出，穿過隔膜兩側(cè)，兩卷針組合形成的針頭圓柱體插入軸套，卷針合攏夾持隔膜，同時，兩卷針合并形成一個基本對稱的規(guī)則形狀，作為卷芯的內(nèi)核。
推針過程示意圖
抽針過程：卷芯卷繞完成后，兩卷針在抽針氣缸作用下縮回，針頭圓柱從軸套中退出，卷針裝置中的滾珠在彈簧作用下使卷針閉合，兩卷針相向卷繞，卷針的自由端尺寸變小，在卷針和卷芯內(nèi)表面之間形成一定間隙，隨著卷針相對擋套縮進(jìn)，實現(xiàn)卷針和卷芯的順利分離。
抽針過程示意圖
上述推針和抽針過程中的“針”即指卷針，作為卷繞機(jī)的核心部件，其對卷繞速度和卷芯質(zhì)量影響顯著。目前，大部分卷繞機(jī)采用圓形、橢圓形和扁菱形卷針。對于圓形和橢圓形卷針，因其存在一定弧度，會致使電芯的極耳變形，在后續(xù)的壓芯過程中，還易造成電芯內(nèi)部起皺變形。而扁菱形卷針，由于長軸和短軸尺寸差異較大，極片和隔膜張力變化明顯，需要驅(qū)動電機(jī)變轉(zhuǎn)速卷繞，過程較難控制，卷繞速度通常較低。
常見卷針示意圖
以最為復(fù)雜且常見的扁菱形卷針為例，在其卷繞旋轉(zhuǎn)過程中，正、負(fù)極片和隔膜總是以 B、C、D、E、F、G 六個邊角點作為支撐點進(jìn)行包繞。
扁菱形卷針旋轉(zhuǎn)示意圖
因此，可將卷繞過程拆分為分別以 OB、OC、OD、OE、OF、OG 為半徑的分段卷繞，僅需分析 θ0、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7 之間七個角度范圍內(nèi)線速度的變化情況，就能完全定量描述卷針周期性的轉(zhuǎn)動過程。
卷針旋轉(zhuǎn)不同角度示意圖
根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，可推導(dǎo)出相應(yīng)關(guān)系式。
從上述方程式不難看出，當(dāng)卷針以恒定角速度卷繞時，卷繞的線速度與卷針支撐點和正、負(fù)極片及隔膜之間形成的角度呈分段函數(shù)關(guān)系。通過 Matlab 仿真二者之間的圖像關(guān)系如下：
不同角度位置卷針線速度變化情況
由此直觀可見，圖例中扁菱形卷針卷繞過程中最大線速度和最小線速度之比可達(dá) 10 倍以上。如此巨大的線速度變化會給正、負(fù)極片和隔膜的張力帶來大幅波動，這正是卷繞張力波動的主要成因。過大的張力波動可能導(dǎo)致卷繞過程中隔膜被拉伸，卷繞完成后隔膜收縮，壓芯后卷芯內(nèi)部拐角處層間距較小。在充電過程中，極片膨脹致使卷芯寬度方向應(yīng)力不集中，產(chǎn)生彎矩，造成極片扭曲，所制備的鋰電池最終出現(xiàn)“S”變形。
“S”變形的電芯CT圖像和拆解圖
目前，為解決由卷針形狀引發(fā)的卷芯質(zhì)量不佳問題（主要是變形問題），通常采用變張力卷繞和變轉(zhuǎn)速卷繞兩種方法。
1. 變張力卷繞：以圓柱電池為例，在恒定角速度下，線速度隨卷繞層數(shù)增加而增大，導(dǎo)致張力上升。變張力卷繞即通過張力控制系統(tǒng)，使施加于極片或隔膜上的張力隨卷繞層數(shù)增加而線性減少，從而在恒轉(zhuǎn)速情況下，仍能使整個卷繞過程的張力盡可能保持恒定。大量的變張力卷繞實驗得出以下結(jié)論：
a. 卷繞張力越小，對卷芯變形的改善效果越好。
b. 恒轉(zhuǎn)速卷繞過程中，隨著卷芯直徑增加，張力線性減小比恒定張力卷繞的變形風(fēng)險更低。
2. 變轉(zhuǎn)速卷繞：以方形電池為例，通常采用扁菱形卷針。當(dāng)卷針以恒定角速度卷繞時，線速度波動顯著，導(dǎo)致卷芯內(nèi)部拐角處層間距差異較大。此時，需根據(jù)線速度變化反向推導(dǎo)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，即卷繞的轉(zhuǎn)速隨角度變化而改變，以實現(xiàn)卷繞過程線速度波動盡可能小，從而保證張力在小幅值范圍內(nèi)波動。
總之，卷針形狀可能影響極耳平整度（卷芯良率和電性能）、卷繞速度（生產(chǎn)效率）、卷芯內(nèi)部應(yīng)力均勻性（外觀變形問題）等。對于圓柱形電池，通常選用圓形卷針；對于方形電池，通常選用橢圓形或扁菱形卷針（某些情況下也可采用圓形卷針卷繞，將卷芯壓扁形成方形卷芯）。此外，大量實驗數(shù)據(jù)表明，卷芯質(zhì)量對最終成品電池的電化學(xué)性能和安全性能具有重要影響。
基于此，我們梳理了鋰電池卷繞過程中的一些關(guān)鍵關(guān)注點和注意事項，期望盡可能避免卷繞過程中的不當(dāng)操作，從而制造出符合質(zhì)量要求的鋰電池。
為更直觀地呈現(xiàn)卷芯缺陷，可將卷芯浸入 AB 膠環(huán)氧樹脂中固化，然后切割截面并用砂紙拋光，最好將制備的樣品置于顯微鏡或掃描電鏡下觀察，從而獲取卷芯內(nèi)部缺陷圖譜。
卷芯內(nèi)部缺陷圖譜
(a)圖為合格卷芯，內(nèi)部無明顯缺陷。
(b)圖中極片明顯扭曲變形，這可能與卷繞張力有關(guān)，張力過大導(dǎo)致極片褶皺，此類缺陷會使電池界面變差，出現(xiàn)析鋰，從而劣化電池性能。
(c)圖中電極和隔膜之間存在異物，此缺陷可能導(dǎo)致自放電嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生安全問題，但在 Hi-pot 測試中通?？杀粰z出。
(d)圖中電極存在陰陽面的缺陷圖譜，可能導(dǎo)致電池低容或析鋰。
(e)圖中電極內(nèi)部混入了粉塵，可能導(dǎo)致電池自放電加劇。
除此之外，卷芯內(nèi)部的缺陷也可通過無損檢測來表征，如常用的 X-ray 和 CT 檢測。下面簡要介紹一些常見的卷芯工藝缺陷：
1. 極片覆蓋不良：局部負(fù)極片未完全包覆正極片，可能導(dǎo)致電池變形和析鋰，產(chǎn)生安全隱患。
2. 極片變形：極片受擠壓而變形，可能引發(fā)內(nèi)短路，帶來嚴(yán)重安全問題。
值得一提的是，2017 年轟動一時的三星 note7 手機(jī)爆炸案，調(diào)查結(jié)果正是由于電池內(nèi)部負(fù)極片受擠壓造成內(nèi)短路，從而引起電池爆炸，此事故致使三星電子損失超 60 億美元。
3. 金屬異物：金屬異物是鋰離子電池的性能殺手，可能來源于漿料、設(shè)備或環(huán)境。顆粒較大的金屬異物可能直接造成物理短路，而當(dāng)金屬異物混入正極后，會被氧化然后沉積在負(fù)極表面，刺穿隔膜，最終造成電池內(nèi)短路，帶來嚴(yán)重安全隱患。常見的金屬異物有 Fe、Cu、Zn、Sn 等。
鋰電池卷繞機(jī)用于卷繞鋰電池電芯，是一種將電池正極片、負(fù)極片及隔膜以連續(xù)轉(zhuǎn)動方式組裝成芯包 (JR: JellyRoll) 的設(shè)備。國內(nèi)卷繞制造設(shè)備始于 2006 年，從半自動圓形、半自動方形卷繞、自動化制片開始，之后發(fā)展為組合自動化、制片卷繞一體機(jī)、激光模切卷繞一體機(jī)、陽極連續(xù)卷繞機(jī)、隔膜連續(xù)卷繞機(jī)等。
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