卷绕式结构是方形锂离子电池制造中的核心工艺路线之一，其基本原理是将正极片、负极片与隔离膜通过卷绕机的卷针机构精准叠合卷制，确保相邻正负极片之间由隔膜完全隔绝，从源头规避内部短路风险。卷绕完成后，通过收尾胶或热熔胶进行端部固定以防止卷芯松散移位，随后流转至压芯、热压等后工序。在该工艺中，核心管控要点在于严格保证正负极无物理接触短路，且负极涂覆区需在横向与纵向双向完全包覆正极涂覆区，以避免边缘露正引发析锂等安全隐患。
 

然而，方形卷绕电芯在量产及后续使用中面临着复杂的形变挑战。卷针作为卷绕机的核心精密零部件，直接决定卷绕运行速度与卷芯成型品质。行业常用卷针类型涵盖圆形、椭圆形与扁菱形三大类。其中，圆形与椭圆形卷针因自带弧形结构，卷绕成型后易造成极耳偏位变形，进而在后续压芯工序中触发电芯内层褶皱及边角塌边等不良；扁菱形卷针虽在特定场景具有应用优势，但其长短轴尺寸差值较大，卷绕过程中极片与隔膜所受张力瞬时波动剧烈，必须匹配电机变转速模式方能适配运行，工艺调试难度高且量产稳定性欠佳。
 

从运动学角度分析，当卷针以恒定角速度卷绕时，卷绕线速度及卷针支撑点与极片、隔膜间的夹角呈分段函数变化规律。以扁菱形卷针为例，其卷绕过程中最大线速度与最小线速度的比值可达数倍乃至十倍以上。如此大幅的线速度差值会造成极片与隔膜张力剧烈起伏，这正是卷绕张力波动的核心根源所在。张力波动超标易引发隔膜拉伸延展，卷绕定型后隔膜自主回缩，导致压芯作业后卷芯拐角位置层间距偏小；当电芯进入充放电循环时，极片发生膨胀，使卷芯宽度方向应力分布失衡并产生机械弯矩，直接造成极片扭曲错位。经过多轮充放电循环的累积形变，最终形成电芯永久性的 “S” 形变形不良。


 

此外，卷绕式电芯在二封抽真空后，极片与隔膜之间并无预留间隙。若采用陶瓷隔膜或涂胶隔膜且粘接力不足，在电池充放电循环过程中，正负极极片因膨胀收缩形变程度不一致，极易导致极片层间间隙随循环次数增加而逐步拉大。当区域内电解液储量不足时，锂离子迁移受阻，同步引发隔膜收缩与极片进一步形变，最终造成电芯内阻飙升、容量快速跳水、自放电异常加剧等严重问题。长期循环使用还会诱发边缘析锂、鼓包等重大安全隐患。与此同时，批量生产中高发的电芯 S 形变形与边角翘曲不良，严重制约成品良率与循环使用寿命。
 

针对上述卷绕变形难题，武汉格瑞斯新能源有限公司依托其在电池实验设备领域多年的技术积累与工艺研究经验，围绕实验室方形卷绕电芯试制场景，深入剖析了卷针几何参数、张力控制策略与电芯成型品质之间的内在关联。该公司基于对卷绕变形机理的系统性认知，结合实验室小批量试制的工艺需求，提出了一套行之有效的工艺优化思路 —— 通过在实验级卷绕设备中引入插片辅助工艺，在卷绕过程中为电芯预留应力释放空间，从而从根源上抑制形变应力的累积与传递。武汉格瑞斯新能源有限公司在实验室电芯制备场景中的实践验证表明，深入理解变形机理是制定有效改善方案的前提，而适配实验设备的插片工艺正是这一认知成果的典型应用。