【Analyse approfondie】Application de précision de la machine de refendage de film dans le domaine des séparateurs de batteries au lithium : comment obtenir une précision de refendage de ± 1 μm

Les batteries lithium-ion sont au cœur de la nouvelle ère énergétique actuelle, et la performance du séparateur est directement liée à la sécurité, à la densité énergétique et à la durée de vie de la batterie. La production de séparateurs est un processus extrêmement précis, où la découpe est essentielle pour découper un film brut large en une bobine de largeur spécifique. La précision requise atteint presque ± 1 μm (micron). Ce résultat est obtenu grâce à une ingénierie système combinant génie mécanique, science des matériaux, contrôle automatique et technologie de détection.

1. Pourquoi la découpe du séparateur de batterie au lithium nécessite-t-elle une précision aussi élevée ?

Comprendre le « pourquoi » est une condition préalable à la compréhension du « comment ». L'exigence d'une précision de ± 1 µm n'est pas infondée, mais dépend de la fonction du séparateur et du processus de fabrication de la batterie.

1. Assurer la sécurité de la batterie : La fonction principale du séparateur est d'isoler les électrodes positive et négative afin d'éviter les courts-circuits, tout en fermant l'orifice pour bloquer le courant en cas de surchauffe. Les bavures, la poussière ou les défauts de bord générés lors du refendage peuvent perforer la membrane, provoquant des micro-courts-circuits, voire un emballement thermique lors de la charge et de la décharge de la batterie, ce qui représente un risque grave pour la sécurité.

2. Améliorer la densité énergétique de la batterie : dans les cellules enroulées ou laminées, la largeur du séparateur doit être parfaitement cohérente avec les feuilles des électrodes positive et négative. Un diaphragme trop large gaspille de l'espace et réduit la densité énergétique. Un diaphragme trop étroit ne peut pas isoler complètement les pôles positif et négatif, ce qui entraîne un court-circuit sur le bord. Une précision de ± 1 µm est indispensable pour optimiser l'utilisation de l'espace interne de la batterie.

3. Assemblage automatisé à grande vitesse : Les lignes de production de batteries modernes fonctionnent en continu à grande vitesse. Le rouleau de diaphragme de refendage doit présenter une très grande précision d'enroulement (c'est-à-dire un « compteur de rembobinage »), faute de quoi des problèmes tels que des défauts de correction et des ruptures de courroie se produiront fréquemment sur la bobineuse automatique suivante, ce qui affectera gravement l'efficacité de la production et le rendement.

2. Principaux obstacles techniques et solutions pour atteindre une précision de refendage de ± 1 μm

Pour atteindre cette précision extrême, les cinq obstacles principaux suivants doivent être surmontés et les meilleures solutions correspondantes doivent être fournies :

Barrière 1 : Système de contrôle de tension extrêmement stable

Le processus de refendage est un processus dynamique de déroulement, de tirage, de refendage et d'enroulement. De légères fluctuations de tension peuvent provoquer des vibrations et une déformation de la bande de film, ce qui compromet directement la précision de la refendage.

•Solution:

◦ Contrôle de tension servo en boucle fermée : utilise un servomoteur à haute réactivité pour entraîner directement les rouleaux, remplaçant ainsi l'embrayage/frein à poudre magnétique traditionnel. Le système détecte la tension réelle en temps réel grâce au capteur de tension, la compare à la valeur de consigne et ajuste instantanément le couple de sortie du servomoteur grâce à l'algorithme PID pour un réglage précis de la tension au milliNewton (mN).

◦ Contrôle de tension multi-niveaux : divise l'ensemble du parcours de refendage en plusieurs zones de contrôle de tension indépendantes, telles que la zone de déroulement, la zone de traction, la zone de refendage et la zone d'enroulement. Les rouleaux flottants, ou rouleaux danseurs, servent de coussins et de capteurs entre les zones pour assurer des transitions fluides et un découplage des tensions afin d'éviter toute interférence.

◦ Contrôle de la tension de la conicité : Lors de l'enroulement, à mesure que le diamètre de la bobine augmente, le maintien d'une tension constante entraîne la compression et la déformation du film intérieur. Le système doit réduire automatiquement la tension en fonction de la courbe spécifique (conicité) en fonction de la variation du diamètre de la bobine afin de garantir une tension constante de l'enroulement et d'éliminer le phénomène de « cœur de chou ».

Barrière 2 : Système de guidage dynamique à l'échelle nanométrique (EPC)

La bande produira inévitablement des écarts de l'ordre du micron lors d'un fonctionnement à grande vitesse et devra être corrigée en temps réel.

•Solution:

◦ Capteur haute précision : une caméra à balayage linéaire CCD (dispositif à couplage de charge) ou un capteur à balayage laser sont utilisés, avec une précision de détection pouvant atteindre ± 0,1 µm. Ce capteur capture la position du bord du ruban ou du fil en temps réel.

◦ Actionneur haute vitesse et haute précision : le capteur transmet le signal de position au contrôleur, qui pilote immédiatement le moteur linéaire ou le mécanisme de correction piézoélectrique en céramique. Le moteur linéaire offre une vitesse de réponse rapide et une grande précision de positionnement. Il peut être ajusté au micron près en quelques millisecondes, garantissant ainsi que la bande suit toujours la trajectoire absolue prédéfinie.

Barrière 3 : Système d'outils de refendage ultra-précis

L'outil est la pièce qui effectue directement la découpe, et son état détermine la qualité de la coupe.

•Solution:

◦ Conception et matériau de l'outil : La méthode de refendage par fraise circulaire est utilisée. Les têtes de coupe supérieure et inférieure sont fabriquées en acier allié ou en céramique haute dureté rectifiés avec une précision extrême. Le tranchant, la rondeur et la rectitude du tranchant doivent atteindre l'ordre du micron. Les sauts d'extrémité et radiaux de l'outil doivent être strictement contrôlés à 1 µm près.

◦ Contrôle de l'engagement de l'outil : le chevauchement et l'écartement des lames supérieure et inférieure sont les paramètres clés. Grâce à des servomoteurs de haute précision et à des systèmes de contrôle en boucle fermée, le réglage et le verrouillage en ligne au micron près de ces deux paramètres permettent de s'adapter aux différentes épaisseurs et matériaux des diaphragmes, obtenant ainsi un cisaillement net et précis, évitant ainsi la formation de bavures et de poussières.

◦ Inspection et nettoyage des couteaux en ligne : système d'inspection visuelle du tranchant du couteau intégré et dispositif d'aspiration sous vide pour surveiller l'état du tranchant du couteau en temps réel et éliminer les traces de débris générées.

Barrière 4 : Réduction globale des vibrations et gestion thermique

Les vibrations de l'appareil lui-même et les fluctuations de la température ambiante sont des facteurs qui nuisent à la précision.

•Solution:

◦ Optimisation de la structure mécanique : La base et le châssis en fonte haute résistance assurent une bonne absorption des vibrations et une bonne stabilité thermique. Les rouleaux critiques doivent être équilibrés dynamiquement (G1.0 ou supérieur) et corrigés pour minimiser les vibrations à grande vitesse.

◦ Contrôle de la dilatation thermique : L'unité d'entraînement, les roulements et autres sources de chaleur, ainsi que le châssis principal, sont isolés thermiquement. Un système de refroidissement à température constante est installé sur les pièces exigeant une précision extrême (comme les porte-outils) afin de contrôler les fluctuations de température à ± 0,5 °C et d'éviter ainsi les dérives de précision dues à la dilatation et à la contraction thermiques.

◦ Isolation environnementale : les machines de refendage haut de gamme sont même installées dans des ateliers propres à température et humidité constantes et sont équipées de plates-formes d'isolation des vibrations flottantes à air pour isoler complètement les interférences environnementales externes.

Barrière 5 : Système de contrôle intégré intelligent

Tous ces sous-systèmes ne fonctionnent pas de manière isolée et nécessitent un « cerveau » puissant pour travailler ensemble.

•Solution:

◦ Plateforme intégrée : Adoptez un système de contrôle intégré basé sur un PC ou un PLC hautes performances, connectez tous les servomoteurs, capteurs et actionneurs via des bus Ethernet industriels à haut débit tels qu'EtherCAT pour obtenir une synchronisation des données en nanosecondes et une émission d'instructions à grande vitesse.

◦ Algorithmes avancés : le système de contrôle intègre des stratégies de contrôle avancées telles que des algorithmes adaptatifs, une compensation anticipée et des observateurs de perturbations, qui peuvent prédire et compenser diverses perturbations potentielles, telles que les changements de propriétés des matériaux et les sauts de vitesse.

◦ Jumeau numérique et analyse de Big Data : En collectant et en analysant les données de fonctionnement de l'équipement, les paramètres de processus et la qualité de refendage en temps réel, un modèle numérique est construit pour optimiser les paramètres de processus, la maintenance prédictive et la traçabilité de la qualité, et améliorer en permanence la stabilité et le rendement du processus de refendage.

3. Résumé : La précision est l’incarnation ultime des capacités du système

Pour atteindre une précision de refendage de ± 1 μm, le séparateur de batteries au lithium ne repose pas sur une percée ponctuelle d'une technologie particulière, mais sur un haut degré d'intégration et d'intégration système de conception mécanique de précision, de technologie de détection de pointe, de servomoteurs haute vitesse, d'algorithmes de contrôle avancés et d'une gestion environnementale rigoureuse. Il représente le plus haut niveau technique du pays dans le domaine des équipements CNC haut de gamme.

Chaque amélioration micrométrique représente un défi aux limites de la physique fondamentale, de la science des matériaux et de l'ingénierie, et nécessite d'innombrables itérations, mises au point et innovations. C'est cette quête incessante de précision ultime qui pose les bases solides de la fabrication à grande échelle, hautement sécurisée et à faible coût de batteries au lithium hautes performances, favorisant ainsi le développement dynamique de l'ensemble du secteur des nouvelles énergies.