鋰電池卷芯的卷繞過程一般是先用兩卷針夾緊兩層隔膜進行預卷，然后依次送入正極片或負極片，極片分別夾在兩層隔膜之間進行卷繞。在卷芯縱向方向，隔膜超出負極膜片，負極膜片超出正極膜片，防止正、負極片之間接觸短路。

卷針夾緊隔膜示意圖

卷芯的卷繞過程通過卷繞機實現。參考上圖，卷繞機的主要組成部分及其功能包括：

1）極片供給系統

分別將正、負極片沿著導軌輸送到兩層隔膜的A-A面和B-B面之間，實現極片的供給；

2）隔膜放卷系統

包括上隔膜和下隔膜，實現隔膜到卷針的自動連續供給；

3）張力控制系統

實現卷繞過程中隔膜的恒張力控制；

4）收尾貼膠系統

對卷繞后的卷芯進行貼膠固定；

5）卸料傳輸系統

將卷芯從卷針上自動拆卸，然后掉落到自動傳輸帶上；

6）腳踏開關

當無任何異常時，踩下腳踏開關控制卷繞正常進行；

7）人機交互界面

實現參數設定、手動調試、報警提示等功能。

從以上卷繞過程分析可知，電芯卷繞包括兩個不可避免的過程：推針和抽針。

• 推針過程 ：兩卷針在推針氣缸作用下伸出，分別穿過隔膜兩側，然后兩卷針組合形成的針頭圓柱體正好插入軸套中，卷針合攏夾持隔膜，同時，兩卷針合并后形成一個基本對稱的規則形狀作為卷芯的內核。

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，在卷針和卷芯內表面之間形成一定間隙，隨著卷針相對擋套縮進，實現卷針和卷芯的順利分離。

抽針過程示意圖

上述的推針和抽針中的“針”即指卷針，作為卷繞機的核心零部件，卷針影響著卷繞速度和卷芯質量，目前大部分卷繞機采用圓形、橢圓形和扁菱形卷針，對于圓形和橢圓形卷針，由于存在一定弧度，會造成電芯的極耳變形，在隨后的壓芯過程中，還容易造成電芯內部起皺變形，對于扁菱形卷針，由于其長軸和短軸尺寸相差較大，極片和隔膜張力變化較大，需要驅動電機變轉速卷繞，過程難以控制，卷繞速度一般較低。

常見卷針示意圖

以最復雜且最常見的扁菱形卷針為例進行簡要介紹，在其卷繞旋轉過程中，正、負極片和隔膜總是以B、C、D、E、F、G六個邊角點作為支撐點進行包繞。

扁菱形卷針旋轉示意圖

因此，可以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，即只需分析以下θ 0、 θ 1、 θ 2、 θ 3、 θ 4、 θ 5、 θ6、θ7之間七個角度范圍內線速度的變化情況就可以完全定量描述卷針周期性的轉動過程。

卷針旋轉不同角度示意圖

根據三角函數關系，容易推導出如下關系式：

從上述方程式可以容易看出，當卷針以恒定角速度卷繞時，卷繞的線速度和卷針支撐點與正、負極片和隔膜之間形成的角度是分段函數關系，通過Matlab仿真二者之間的圖像關系如下：

不同角度位置卷針線速度變化情況

由此可以直觀的看出，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高達10倍以上，如此大的線速度變化將給正、負極片和隔膜的張力帶來很大的波動，這便是卷繞張力波動的最主要原因。

過大的張力波動可能導致卷繞過程中隔膜被拉伸，卷繞完成后隔膜收縮，壓芯后卷芯內部拐角處層間距較小，在充電過程中，極片膨脹導致卷芯寬度方向應力不集中，產生彎矩，造成極片扭曲，所制備的鋰電池最終出現“S”變形。

目前通常通過變張力卷繞和變轉速卷繞兩種方法來解決由于卷針形狀引起的卷芯質量不良問題（主要是變形問題）。

1）變張力卷繞

以圓柱電池為例，在恒定的角速度下，線速度隨著卷繞層數的增加而增加，導致張力越來越大。變張力卷繞即指通過張力控制系統將施加于極片或隔膜上的張力隨著卷繞層數的增加而線性的減少，從而在恒轉速的情況下，仍然可以使整個卷繞過程盡可能保持恒定的張力。

通過大量的變張力卷繞實驗，得出如下結論：

a.卷繞張力越小對卷芯變形改善越好；

b.恒轉速卷繞過程中，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險更低。

2）變轉速卷繞

以方形電池為例，通常采用扁菱形卷針，當卷針以恒定角速度卷繞時，根據以上分析可知，其線速度波動很大，導致卷芯內部拐角處層間距相差較大，此時，需要根據線速度變化情況反向推導轉速的變化規律，即卷繞的轉速隨著角度的變化而變化，實現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波動。

結論：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（生產效率）、卷芯內部應力均勻性（外觀變形問題）等，對于圓柱形電池，通常選用圓形卷針，而對于方形電池，通常選用橢圓形或扁菱形卷針（某些情況也可以采用圓形卷針卷繞，將卷芯壓扁形成方形卷芯）。