在锂离子电池的制造流程中，通常存在多种工序划分方式。流程可分为电极制造、装配过程和电芯检测三大工序（如下图所示），也有公司将其划分为卷绕前工序和卷绕后工序，这一分界点便是卷绕工序。因其强大的集成功能，能使电池外观初步成型，所以卷绕工序在锂离子电池制造中充当着枢纽角色，是关键所在，卷绕工序所生产的卷芯常被称为裸电芯（Jelly-Roll，简称 JR）。

锂离子电池制造流程

锂离子电池制造流程中，卷芯卷绕过程的示意图如下。具体操作是通过卷绕机的卷针机构，将正极片、负极片和隔离膜卷制在一起，相邻的正负极片由隔离膜隔绝以防短路。卷绕结束后，利用收尾胶纸固定，防止卷芯散开，随后流转至下一工序。在此过程中，关键在于确保正负极之间不发生物理接触短路，并且负极片在横、纵两个方向都能完全覆盖正极片。

卷绕过程示意图

在卷芯的卷绕过程中，一般先由两卷针夹紧两层隔膜进行预卷，接着依次送入正极片或负极片，极片分别夹在两层隔膜之间进行卷绕。在卷芯纵向方向，隔膜超出负极膜片，负极膜片超出正极膜片，以此避免正、负极片之间接触短路。

卷针夹紧隔膜示意图

自动卷绕机实物图

卷绕机是实现卷芯卷绕过程的关键设备。参考上图，其主要组成部分及功能如下：

1. 极片供给系统：分别将正、负极片沿导轨输送至两层隔膜的 A-A 面和 B-B 面之间，确保极片的稳定供给。

2. 隔膜放卷系统：包含上隔膜和下隔膜，实现隔膜向卷针的自动连续供应。

3. 张力控制系统：对卷绕过程中的隔膜进行恒张力控制。

4. 收尾贴胶系统：为卷绕后的卷芯进行贴胶固定操作。

5. 卸料传输系统：将卷芯从卷针上自动拆卸，并使其掉落至自动传输带上。

6. 脚踏开关：在无异常状况时，踩下脚踏开关可控制卷绕正常运行。

7. 人机交互界面：具备参数设定、手动调试、报警提示等功能。

从上述卷绕过程分析可知，电芯卷绕包含两个不可避免的环节：推针和抽针。
推针过程：两卷针在推针气缸作用下伸出，穿过隔膜两侧，两卷针组合形成的针头圆柱体插入轴套，卷针合拢夹持隔膜，同时，两卷针合并形成一个基本对称的规则形状，作为卷芯的内核。

推针过程示意图

抽针过程：卷芯卷绕完成后，两卷针在抽针气缸作用下缩回，针头圆柱从轴套中退出，卷针装置中的滚珠在弹簧作用下使卷针闭合，两卷针相向卷绕，卷针的自由端尺寸变小，在卷针和卷芯内表面之间形成一定间隙，随着卷针相对挡套缩进，实现卷针和卷芯的顺利分离。

抽针过程示意图

上述推针和抽针过程中的“针”即指卷针，作为卷绕机的核心部件，其对卷绕速度和卷芯质量影响显著。目前，大部分卷绕机采用圆形、椭圆形和扁菱形卷针。对于圆形和椭圆形卷针，因其存在一定弧度，会致使电芯的极耳变形，在后续的压芯过程中，还易造成电芯内部起皱变形。而扁菱形卷针，由于长轴和短轴尺寸差异较大，极片和隔膜张力变化明显，需要驱动电机变转速卷绕，过程较难控制，卷绕速度通常较低。

常见卷针示意图

以最为复杂且常见的扁菱形卷针为例，在其卷绕旋转过程中，正、负极片和隔膜总是以 B、C、D、E、F、G 六个边角点作为支撑点进行包绕。

扁菱形卷针旋转示意图

因此，可将卷绕过程拆分为分别以 OB、OC、OD、OE、OF、OG 为半径的分段卷绕，仅需分析 θ0、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7 之间七个角度范围内线速度的变化情况，就能完全定量描述卷针周期性的转动过程。

卷针旋转不同角度示意图

根据三角函数关系，可推导出相应关系式。

从上述方程式不难看出，当卷针以恒定角速度卷绕时，卷绕的线速度与卷针支撑点和正、负极片及隔膜之间形成的角度呈分段函数关系。通过 Matlab 仿真二者之间的图像关系如下：

不同角度位置卷针线速度变化情况

由此直观可见，图例中扁菱形卷针卷绕过程中最大线速度和最小线速度之比可达 10 倍以上。如此巨大的线速度变化会给正、负极片和隔膜的张力带来大幅波动，这正是卷绕张力波动的主要成因。过大的张力波动可能导致卷绕过程中隔膜被拉伸，卷绕完成后隔膜收缩，压芯后卷芯内部拐角处层间距较小。在充电过程中，极片膨胀致使卷芯宽度方向应力不集中，产生弯矩，造成极片扭曲，所制备的锂电池最终出现“S”变形。

“S”变形的电芯CT图像和拆解图

目前，为解决由卷针形状引发的卷芯质量不佳问题（主要是变形问题），通常采用变张力卷绕和变转速卷绕两种方法。

1. 变张力卷绕：以圆柱电池为例，在恒定角速度下，线速度随卷绕层数增加而增大，导致张力上升。变张力卷绕即通过张力控制系统，使施加于极片或隔膜上的张力随卷绕层数增加而线性减少，从而在恒转速情况下，仍能使整个卷绕过程的张力尽可能保持恒定。大量的变张力卷绕实验得出以下结论：
a. 卷绕张力越小，对卷芯变形的改善效果越好。
b. 恒转速卷绕过程中，随着卷芯直径增加，张力线性减小比恒定张力卷绕的变形风险更低。

2. 变转速卷绕：以方形电池为例，通常采用扁菱形卷针。当卷针以恒定角速度卷绕时，线速度波动显著，导致卷芯内部拐角处层间距差异较大。此时，需根据线速度变化反向推导转速的变化规律，即卷绕的转速随角度变化而改变，以实现卷绕过程线速度波动尽可能小，从而保证张力在小幅值范围内波动。

总之，卷针形状可能影响极耳平整度（卷芯良率和电性能）、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，通常选用圆形卷针；对于方形电池，通常选用椭圆形或扁菱形卷针（某些情况下也可采用圆形卷针卷绕，将卷芯压扁形成方形卷芯）。此外，大量实验数据表明，卷芯质量对最终成品电池的电化学性能和安全性能具有重要影响。

基于此，我们梳理了锂电池卷绕过程中的一些关键关注点和注意事项，期望尽可能避免卷绕过程中的不当操作，从而制造出符合质量要求的锂电池。

为更直观地呈现卷芯缺陷，可将卷芯浸入 AB 胶环氧树脂中固化，然后切割截面并用砂纸抛光，最好将制备的样品置于显微镜或扫描电镜下观察，从而获取卷芯内部缺陷图谱。

卷芯内部缺陷图谱

(a)图为合格卷芯，内部无明显缺陷。
(b)图中极片明显扭曲变形，这可能与卷绕张力有关，张力过大导致极片褶皱，此类缺陷会使电池界面变差，出现析锂，从而劣化电池性能。
(c)图中电极和隔膜之间存在异物，此缺陷可能导致自放电严重，甚至产生安全问题，但在 Hi-pot 测试中通常可被检出。
(d)图中电极存在阴阳面的缺陷图谱，可能导致电池低容或析锂。
(e)图中电极内部混入了粉尘，可能导致电池自放电加剧。

除此之外，卷芯内部的缺陷也可通过无损检测来表征，如常用的 X-ray 和 CT 检测。下面简要介绍一些常见的卷芯工艺缺陷：

1. 极片覆盖不良：局部负极片未完全包覆正极片，可能导致电池变形和析锂，产生安全隐患。

2. 极片变形：极片受挤压而变形，可能引发内短路，带来严重安全问题。

值得一提的是，2017 年轰动一时的三星 note7 手机爆炸案，调查结果正是由于电池内部负极片受挤压造成内短路，从而引起电池爆炸，此事故致使三星电子损失超 60 亿美元。

3. 金属异物：金属异物是锂离子电池的性能杀手，可能来源于浆料、设备或环境。颗粒较大的金属异物可能直接造成物理短路，而当金属异物混入正极后，会被氧化然后沉积在负极表面，刺穿隔膜，最终造成电池内短路，带来严重安全隐患。常见的金属异物有 Fe、Cu、Zn、Sn 等。

锂电池卷绕机用于卷绕锂电池电芯，是一种将电池正极片、负极片及隔膜以连续转动方式组装成芯包 (JR: JellyRoll) 的设备。国内卷绕制造设备始于 2006 年，从半自动圆形、半自动方形卷绕、自动化制片开始，之后发展为组合自动化、制片卷绕一体机、激光模切卷绕一体机、阳极连续卷绕机、隔膜连续卷绕机等。

在此，为您特别推荐亿鑫丰激光模切卷绕推平一体机。这款设备融合了先进的激光模切技术、高效的卷绕工艺和精准的推平功能，能够极大地提升锂电池的生产效率和质量。其具有以下显著优势：

1. 高精度模切：确保极片和隔膜的尺寸精准，减少材料浪费，提高电池的一致性。

2. 稳定卷绕：优化的卷绕机构和控制系统，保证卷芯结构紧密、稳定，降低内阻，提升电池性能。

3. 高效推平：独特的推平设计，使卷芯表面平整，减少内部应力不均，延长电池寿命。

4. 智能控制：配备先进的人机交互界面，实现参数精准设定和实时监控，操作简便，易于维护。

5. 兼容范围广：可兼做 18、21、32、46、50、60 所有型号电芯，满足您多样化的生产需求。

选择亿鑫丰激光模切卷绕推平一体机，为您的锂电池生产带来更高的品质和效益！