Macchina automatica per l'avvolgimento di celle cilindriche per 21700 e 26650 | TOB-3270Y-26

TOB-3270Y-26 Macchina automatica per l'avvolgimento di celle cilindriche per la produzione di 21700 e 26650

Panoramica del prodotto e applicazioni ideali

Una macchina per l'avvolgimento di celle cilindriche prende strisce continue di elettrodo catodico, elettrodo anodico e separatore, e le avvolge sotto tensione controllata in un jellyroll preciso, il nucleo di ogni batteria cilindrica agli ioni di litio. La TOB-3270Y-26 è una bobinatrice completamente automatica progettata appositamente per i formati di celle 21700 e 26650, in grado di gestire larghezze degli elettrodi da 30 mm a 68 mm e produrre celle finite con un diametro esterno compreso tra φ18 e φ21 mm. Esegue l'intera sequenza di avvolgimento: svolgimento attivo, controllo della tensione, rimozione della polvere, correzione dell'allineamento dei bordi, avvolgimento, applicazione del nastro di terminazione, stampaggio delle linguette, taglio automatico, rilevamento dei cortocircuiti e smistamento delle celle buone e difettose, in un unico ciclo continuo supervisionato dall'operatore.

Il meccanismo centrale di avvolgimento della macchina utilizza una tavola rotante azionata da servo con più stazioni, ciascuna dotata di un set di aghi di avvolgimento. Il design con doppio mezzo ago ed estrazione su un solo lato consente di ritirare l'ago dal jellyroll finito senza disturbare gli strati strettamente avvolti, uno dei fattori chiave che permette un'elevata velocità di avvolgimento e bassi tassi di scarto. Il cambio degli aghi, necessario quando si passa da un formato di cella all'altro, richiede meno di cinque minuti, riducendo al minimo i tempi di fermo in un ambiente produttivo.

Ideale per:

• Produttori di batterie agli ioni di litio che realizzano celle cilindriche 21700 o 26650 per veicoli elettrici, sistemi di accumulo energetico, utensili elettrici ed e-mobility.
• Linee pilota che passano dall'avvolgimento semiautomatico a una stazione di avvolgimento completamente automatizzata e tracciabile con smistamento integrato dei difetti.
• Produttori conto terzi che richiedono cambi formato rapidi (diametro esterno, larghezza) senza lunghi riattrezzaggi meccanici.
• Qualsiasi linea di produzione che attualmente presenta problemi di allineamento incoerente del jellyroll, grinze del separatore o elevati tassi di scarto per cortocircuiti dovuti ad avvolgimento manuale o semiautomatico.

Hai bisogno di conoscere la produttività massima in celle al minuto per la tua specifica larghezza dell'elettrodo e diametro del jellyroll? Invia i parametri del tuo progetto di cella ai nostri ingegneri dell'automazione per una stima del tempo ciclo e una raccomandazione sul layout della stazione di lavoro.

Dove si inserisce questa macchina nella produzione di celle cilindriche

La TOB-3270Y-26 opera nella fase di assemblaggio della cella, posizionata dopo il rivestimento degli elettrodi, la calandratura e il taglio longitudinale, e prima del riempimento dell'elettrolita e della crimpatura. Il flusso del processo in una tipica linea di produzione di celle cilindriche è:

● Preparazione degli elettrodi– I fogli di catodo e anodo vengono rivestiti, essiccati, calandrati e tagliati alla larghezza richiesta. Le linguette vengono saldate in posizioni predeterminate lungo la striscia.

●Avvolgimento (ruolo della TOB-3270Y-26)– Le strisce di elettrodo tagliate e il separatore vengono alimentati nella bobinatrice. La macchina li avvolge in un jellyroll preciso, applica il nastro di terminazione, stampa le posizioni delle linguette se richiesto ed esegue un test di cortocircuito in linea.

●Inserimento e saldatura delle linguette– Il jellyroll viene inserito nell'involucro cilindrico. La linguetta del catodo viene saldata al coperchio o all'involucro, mentre la linguetta dell'anodo viene saldata al fondo dell'involucro o a un dispositivo di interruzione della corrente.

●Riempimento dell'elettrolita e sigillatura– L'involucro viene riempito con elettrolita in un ambiente sottovuoto o ad atmosfera inerte, e il coperchio viene crimpato o saldato al laser.

●Formazione e invecchiamento– La cella sigillata viene sottoposta ai primi cicli di carica-scarica per formare la SEI e stabilizzare la capacità.

La fase di avvolgimento è particolarmente impegnativa perché combina movimenti meccanici ad alta velocità con requisiti di allineamento a livello micrometrico. Un jellyroll disallineato, in cui catodo e anodo non sono perfettamente centrati rispetto al separatore, può causare cortocircuiti interni, riduzione della capacità o un'accelerazione della perdita di capacità. La precisione di allineamento della TOB-3270Y-26 pari a ±0,3 mm sia per il separatore sia per i bordi degli elettrodi affronta direttamente questo rischio.

Flusso e movimentazione dei materiali:

●I rotoli degli elettrodi catodico e anodico (diametro interno φ76,2 mm, diametro esterno fino a φ400 mm) vengono caricati su mandrini di svolgimento attivi. Ogni mandrino è dotato di un sistema di controllo della tensione con valvole proporzionali, che consente di regolare la tensione in segmenti (ad esempio, tensione inferiore durante l'avvolgimento iniziale e tensione superiore durante gli strati finali).

●I rotoli del separatore (diametro interno φ76,2 mm, diametro esterno fino a φ300 mm, spessore 0,015–0,030 mm) vengono alimentati da una stazione di svolgimento separata con correzione integrata della posizione dei bordi.

●Dopo l'avvolgimento, viene applicato un nastro di terminazione (diametro interno φ76,2 mm, diametro esterno fino a φ150 mm, larghezza 20–60 mm) tramite un meccanismo di applicazione a rullo che impedisce pieghe o grinze.

●Un braccio manipolatore rimuove il jellyroll finito e lo posiziona su un nastro trasportatore, che trasporta le celle buone al tavolo di raccolta e devia le celle con cortocircuito in un contenitore di scarto.

Come funziona la macchina automatica per l'avvolgimento

●Meccanismo di avvolgimento e tavola rotante

Il cuore della macchina è una tavola rotante azionata da servo che si indicizza tra più stazioni. Ogni stazione contiene un set di aghi di avvolgimento, il mandrino attorno al quale vengono avvolti l'elettrodo e il separatore. La tavola è azionata da un servomotore accoppiato a un divisore meccanico (indicizzatore a camma), che fornisce l'elevata precisione di posizionamento e ripetibilità necessarie per dimensioni del jellyroll uniformi.

L'ago di avvolgimento stesso è un design a doppio sem iago. Due aghi semicilindrici si accoppiano per formare un mandrino cilindrico completo. Al termine dell'avvolgimento, una metà dell'ago viene estratta da un lato, lasciando il jellyroll libero di essere rimosso senza trascinare o disturbare gli strati più interni. Questo metodo di estrazione da un solo lato è più rapido e causa meno danni rispetto ai design precedenti che richiedevano l'estrazione simultanea di entrambe le metà da lati opposti.

●Svolgimento, controllo della tensione e correzione della deviazione

Ciascuno dei tre alimentatori di materiale—elettrodo catodico, elettrodo anodico e separatore—dispone del proprio motore di svolgimento attivo, sensore di tensione e attuatore di tensione controllato da valvola proporzionale. La macchina può essere programmata con un profilo di tensione segmentato: ad esempio, una tensione inferiore durante i primi giri per adattarsi alla curvatura iniziale attorno all'ago di piccolo diametro, quindi una tensione gradualmente crescente per garantire un jellyroll compatto e privo di vuoti.

Un sistema integrato di correzione della posizione del bordo utilizza sensori di rilevamento del bordo del materiale per mantenere ogni striscia centrata entro ±0,3 mm. Se il bordo di un elettrodo inizia a deviare a causa di un leggero disallineamento sul rotolo di alimentazione, il meccanismo di correzione regola in tempo reale la posizione laterale dei rulli guida. Questa strategia di controllo di “correzione integrale” accumula il segnale di errore nel tempo, consentendo una risposta più rapida e precisa rispetto a una semplice correzione proporzionale, aspetto importante alle elevate velocità lineari che questa macchina è in grado di raggiungere.

●Rimozione della polvere, nastro di terminazione e stampaggio

Alla fine di ogni percorso di svolgimento dell'elettrodo, appena prima che il materiale entri nella zona di avvolgimento, un dispositivo di rimozione della polvere (tipicamente una spazzola assistita da vuoto o un eliminatore elettrostatico) rimuove eventuali particelle libere dalla superficie dell'elettrodo. Questo passaggio è fondamentale per prevenire la contaminazione da particolato che può causare cortocircuiti interni.

Una volta raggiunto il numero preimpostato di giri (secondo il design della cella), il nastro di terminazione viene applicato automaticamente. Il meccanismo di applicazione del nastro utilizza un movimento di incollaggio a rullo, in cui un rullo preme il nastro sulla superficie esterna del jellyroll mentre ruota, garantendo una finitura liscia e priva di pieghe. Un meccanismo di stampaggio contrassegna quindi le posizioni delle linguette o codifica la cella, se richiesto, e un taglierino automatico separa le strisce di elettrodo e separatore.

●Rilevamento dei cortocircuiti e smistamento

Il jellyroll finito viene trasferito a una stazione di test per cortocircuiti. Qui, le sonde entrano in contatto con i terminali catodico e anodico e applicano una tensione di prova. Il circuito di rilevamento integrato misura la resistenza di isolamento (o la corrente di dispersione) e la confronta con una soglia. Le celle che falliscono il test—indicando un cortocircuito interno, solitamente causato da una particella metallica o da un bordo dell'elettrodo disallineato—vengono automaticamente scartate in un contenitore separato. Le celle conformi vengono trasportate al tavolo di raccolta. L'aggiunta di una copertura protettiva sopra la stazione di test aumenta la sicurezza dell'operatore e impedisce che il rumore elettrico esterno interferisca con la misurazione.

●Interfaccia uomo-macchina e controlli

La macchina è controllata tramite un pannello HMI scorrevole, che può essere riposizionato per un accesso comodo durante il funzionamento e la manutenzione. L'interfaccia mostra i parametri di avvolgimento (tensione, velocità, conteggio dei giri, stato dell'allineamento), le statistiche di produzione e la diagnostica dei guasti. Le ricette per diversi formati di celle possono essere memorizzate e richiamate, riducendo il tempo di cambio formato. L'armadio elettrico si trova sul lato destro dell'avvolgitore, posizionato in modo da non ostacolare l'accesso dell'operatore all'area di tranciatura o al processo a valle.

Principali vantaggi ingegneristici del TOB-3270Y-26

●Tavola rotante azionata da servo con divisore per precisione ad alta velocità

La combinazione di un servomotore e di un divisore a camma meccanica garantisce che ogni stazione di avvolgimento si posizioni con un'elevata ripetibilità. Ciò elimina gli errori di posizionamento cumulativi che possono verificarsi con indicizzazioni esclusivamente servoazionate, mantenendo al contempo una regolazione flessibile della velocità. Il risultato è una piattaforma di avvolgimento in grado di sostenere un'elevata produttività senza compromettere la consistenza del jellyroll.

●Estrazione singola laterale con doppio sem iago — ciclo più rapido, meno danni

Il metodo di estrazione da un solo lato rimuove una metà dell'ago mentre il jellyroll è sostenuto dall'altra metà, che poi scorre fuori con attrito minimo. Questo design riduce il rischio di delaminazione dello strato più interno, una causa comune della perdita iniziale di capacità. Inoltre, il cambio dell'ago tra formati (ad esempio, da un diametro di 18 mm a uno di 21 mm) richiede meno di cinque minuti, riducendo significativamente i tempi di inattività negli ambienti di produzione multi-formato.

●Controllo della tensione segmentato con valvole proporzionali

La tensione di avvolgimento non è un parametro da “impostare una volta e dimenticare”. Il TOB-3270Y-26 consente di programmare la tensione in più segmenti: bassa tensione per i giri iniziali, aumento graduale fino a una tensione maggiore per gli strati principali e una tensione finale per i giri più esterni. Questo riproduce il profilo di tensione che applicherebbe un operatore manuale esperto, ma con precisione digitale e ripetibilità del 100%. Le valvole proporzionali rispondono rapidamente alle variazioni di tensione comandate dal PLC, mantenendo la tensione impostata entro limiti ristretti anche quando il diametro del rotolo cambia sulle bobine di svolgimento.

●Correzione integrata della posizione del bordo — precisione di allineamento ±0,3 mm

Il separatore e entrambi gli elettrodi sono allineati entro ±0,3 mm l'uno rispetto all'altro, valore di riferimento del settore per le celle cilindriche. L'algoritmo di controllo integrato e il rilevamento del bordo del materiale forniscono una correzione più rapida rispetto ai semplici controllori PID, particolarmente utile quando si lavorano strisce di elettrodo che possono presentare leggere ondulazioni o bombature dovute al processo di taglio longitudinale.

●Rilevamento dei cortocircuiti in linea con smistamento automatico

Ogni jellyroll viene testato per verificare la presenza di cortocircuiti interni prima di lasciare la macchina. Le celle che superano il test vengono trasportate al tavolo di raccolta; quelle che non lo superano vengono automaticamente scartate. Questa ispezione al 100% fornisce un feedback immediato sulla qualità dell'avvolgimento e impedisce alle celle difettose di procedere al riempimento con elettrolita, dove un cortocircuito potrebbe causare un incendio durante la formazione. La copertura protettiva sulla stazione di test protegge inoltre la misurazione dalle interferenze elettromagnetiche generate dai servoazionamenti.

●Design compatto, completamente protetto, con HMI scorrevole

L'ingombro della macchina (L2400 × P1500 × H2100 mm) è relativamente compatto per un avvolgitore completamente automatico, grazie alla disposizione verticale dei mandrini di svolgimento e della tavola rotante. Tutte le parti mobili sono racchiuse da coperture protettive e il pannello HMI scorre lungo una guida per un accesso ergonomico. L'armadio elettrico è posizionato sul lato destro, lontano dall'area di tranciatura, in modo da non interferire con l'operatore o con le apparecchiature a valle.

●Cambio formato rapido — cinque minuti per la sostituzione dell'ago

La gamma di prodotti copre diametri esterni φ18–φ21 mm e larghezze 30–65 mm. Il cambio tra prodotti all'interno di questa gamma richiede solo la sostituzione del set di clip (le guide che determinano la larghezza del jellyroll) e la regolazione del diametro dell'ago tramite le ricette memorizzate nell'HMI. Il design meccanico del sistema di bloccaggio dell'ago consente di sostituire gli aghi in meno di cinque minuti, come verificato nei test di accettazione in fabbrica.

Specifiche dei materiali richieste per la macchina

La tabella seguente specifica le dimensioni e le tolleranze dei materiali che il TOB-3270Y-26 è progettato per lavorare. Tutti i valori sono espressi in millimetri salvo diversa indicazione.

Requisiti aggiuntivi dei materiali:

• Il numero di linguette su un singolo foglio di elettrodo non deve superare 2 pezzi.
• Si raccomanda che la linguetta adotti un processo di saldatura passante, con una lunghezza esposta inferiore a 25 mm.
• L'ingresso prima del catodo e l'ingresso prima dell'anodo possono essere impostati liberamente modificando i parametri.
• Il rivestimento dell'elettrodo deve essere uniforme; la lunghezza e la posizione devono essere ben controllate; l'ondulazione dopo la laminazione deve essere inferiore a 1 mm; la curvatura a serpentina deve essere inferiore a 0,3 mm per 1000 mm (in modo da non influire sulla precisione di avvolgimento).
• L'elettrodo deve essere tagliato continuamente; l'errore di larghezza deve essere inferiore a ±0,05 mm; il materiale non deve presentare un evidente avvolgimento a forma di torre (non superiore a ±1 mm); la tensione di avvolgimento deve essere uniforme.
• Le linguette devono essere piatte, evitando per quanto possibile la piegatura.
• Lo spessore dell'elettrodo non deve essere influenzato dopo la saldatura.
• Il nastro di terminazione deve essere avvolto uniformemente, senza evidenti forme a torre, pieghe, deformazioni o altri difetti.
• Il rotolo dell'elettrodo deve avere un'identificazione tramite codice colore nei punti in cui sono presenti difetti di nastratura, linguette mancanti, punti luminosi o altri difetti, in modo che i prodotti difettosi possano essere rilevati e rimossi manualmente.

Specifiche di precisione dell'avvolgimento

Il TOB-3270Y-26 garantisce le seguenti precisioni di allineamento in condizioni operative normali con materiali conformi alle specifiche sopra indicate:

Caratteristiche dell'apparecchiatura

• Le seguenti caratteristiche sono parte integrante del design della TOB-3270Y-26 e contribuiscono alla sua velocità, precisione e facilità d'uso:
• Il servomotore e il meccanismo divisore azionano la tavola rotante per l'indicizzazione delle stazioni; il posizionamento è preciso e la velocità di produzione è elevata.
• L'ago di avvolgimento adotta un avanzato metodo a doppio semielemento, con estrazione su un solo lato, migliorando la velocità di avvolgimento.
• La sostituzione dell'ago è molto comoda: l'ago può essere sostituito e la produzione normale può riprendere entro cinque minuti.
• Tutti i componenti di avvolgimento sono stati aggiornati a una struttura con guide di scorrimento e coordinamento del gioco.
• L'apparecchiatura può produrre prodotti con diametro esterno di φ18–φ21 mm e larghezza di 30–65 mm; è sufficiente sostituire la clip e regolare i parametri tramite l'interfaccia HMI; il cambio formato è comodo.
• L'interfaccia uomo-macchina è montata su una guida di scorrimento per facilitare il rifornimento, il funzionamento e l'accesso alla manutenzione.
• Catodo, anodo e separatore vengono svolti automaticamente con correzione della deviazione; la tensione è controllata tramite valvole proporzionali e può essere regolata in segmenti.
• Il rilevamento dei cortocircuiti viene eseguito da un meccanismo di test integrato che verifica e scarica la cella in un unico passaggio; buon contatto, basso tasso di errori di giudizio; dotato di copertura protettiva.
• Per la correzione della deviazione vengono utilizzati la correzione integrale e il rilevamento del bordo del materiale; il design è razionale, il giudizio è accurato e la velocità di correzione è elevata.
• Un dispositivo di rimozione della polvere è installato alla fine del percorso di svolgimento dell'elettrodo, prima della stazione di taglio.
• Il nastro di terminazione viene applicato mediante un metodo di incollaggio a rullo, che resiste alla piegatura.
• Un braccio manipolatore gestisce lo scarico; la trasmissione a cinghia evita danni al nucleo del jellyroll.
• Il quadro elettrico è posizionato sul lato destro dell'avvolgitrice, quindi non influisce sull'area di scarico né sul processo a valle.
• L'apparecchiatura dispone di un'interfaccia intuitiva, funzionamento semplice e manutenzione semplice; sono installate coperture protettive in tutta la macchina.

Specifiche tecniche complete

Difetti comuni di avvolgimento e risoluzione dei problemi

FAQ di ingegneria — Avvolgimento automatico di celle cilindriche

D1: Quanto tempo è necessario per passare dal formato 21700 al formato 26650?

Il TOB-3270Y-26 può produrre celle con diametri esterni da φ18 mm a φ21 mm e larghezze da 30 mm a 65 mm. Entro questo intervallo, un cambio formato completo, inclusa la sostituzione del set di clip, la regolazione o sostituzione dell'ago di avvolgimento e il caricamento della nuova ricetta, richiede tipicamente meno di 30 minuti. L'ago stesso può essere sostituito in meno di cinque minuti. Parametri come il profilo di tensione, il numero di spire e gli offset di allineamento sono memorizzati nella memoria delle ricette HMI e richiamati istantaneamente.

D2: Qual è la produttività prevista in celle al minuto?

La produttività dipende dal numero di spire del design del jellyroll e dalla velocità di avvolgimento. Per una tipica cella 21700 con un jellyroll composto da circa 20 spire (catodo/anodo/separatore combinati) e una velocità di avvolgimento di 100–150 rpm sull'ago, è possibile raggiungere una produttività di 6–10 celle al minuto. Contattare TOB con il proprio design specifico della cella per un'analisi dettagliata del tempo ciclo.

D3: Questa macchina può gestire strisce di elettrodi con linguette già saldate oppure richiede una stazione separata di saldatura delle linguette?

La macchina è progettata per accettare strisce di elettrodi con linguette pre-saldate nella fase di taglio. Può gestire fino a 2 linguette per foglio di elettrodo e la lunghezza esposta della linguetta deve essere inferiore a 25 mm. La macchina non salda le linguette; la saldatura delle linguette è un processo a monte eseguito sulla striscia di elettrodo prima che venga avvolta in un rotolo per questa macchina.

D4: In che modo il sistema di correzione integrale differisce da un sistema standard di guida del bordo?

I sistemi standard di guida del bordo utilizzano una correzione proporzionale: il rullo guida si sposta di una quantità proporzionale all'errore del bordo rilevato. La correzione integrale aggiunge l'errore nel tempo (integrazione) al segnale di correzione, consentendo al sistema di eliminare un offset persistente che un sistema puramente proporzionale tollererebbe. Questo è particolarmente utile per correggere la lenta deriva che si verifica quando un rotolo di elettrodo si svolge dal diametro completo fino al diametro dell'anima. Il risultato è un allineamento più preciso e costante sull'intero rotolo.

D5: La macchina è compatibile con separatori rivestiti in ceramica?

Sì, la macchina può gestire separatori nell'intervallo di spessore specificato (0,015–0,030 mm). I separatori rivestiti in ceramica tendono a essere leggermente più spessi e rigidi rispetto a quelli non rivestiti, il che può richiedere un leggero aumento della tensione del separatore per mantenere la planarità durante l'avvolgimento. La tensione può essere regolata tramite le impostazioni di tensione segmentata dell'HMI. Il dispositivo di rimozione della polvere e il sistema di correzione della deviazione sono efficaci anche con separatori rivestiti; tuttavia, assicurarsi che il rivestimento sia ben aderente e non rilasci particelle che potrebbero contaminare la zona di avvolgimento.

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