CN102651481A - 锂电池多工序一体化装置 - Google Patents

Abstract

一种锂电池多工序一体化装置，包括升降装置、治具、用于定位锂电池电芯的电芯定位夹具，所述升降装置包括动力件及活动件，所述动力件驱动所述活动件升降，所述治具包括主体，所述主体挂接于所述活动件，所述主体具有与电芯一一对应的流体孔、注嘴及导电针，所述流体孔与所述注嘴连通，各所述流体孔串联形成用于连接注液系统的流体管路，所述治具还包括用于向所述注嘴输送钢珠的送钢珠机构，所述送钢珠机构设置于所述主体，所述电芯定位夹具设有用于串联各所述电芯外壳的导电体。该装置可以极大地改进电芯的制造工艺，可以在一个装置上完成多种工序，如烘烤、注液、化成，封口、分容，极大地简化工序、提高电芯质量。

Description

锂电池多工序一体化装置

技术领域

本发明是关于一种电池干燥、注液、化成、封口、分容一体化机器。

背景技术

锂电池(电芯)包括外壳、卷芯及电解液，外壳包括壳体和盖帽，盖帽具有一个与盖板(为外壳的一部分)绝缘的铆钉(电极)，外壳把卷芯、电解液封闭起来，卷芯由正极片、隔膜、负极片一同卷绕而成，对铝壳电池，正极片通过正连接导体从内部与外壳相连接，把卷芯的正极引到外壳，负极片通过负连接导体与盖帽的铆钉(电极)相连接，把卷芯的负极引出到电池外壳外面。壳体从形状分有方体和圆柱体两种，从材料分有铝壳和钢壳两种。盖帽设有注液孔，电池化成后用钢珠封住注液孔，使电池内部与外界空气隔绝。

现在锂电池灌注电解液有两种方式：倒吸式和注液式，这两种方法都需要先把电池内部抽真空，然后充氮气把电解液压入电池内，为提高电池容量和循环次数，常需要采取多次灌注、抽真空、注氮气等工艺，费时费力。

塞入卷芯且外壳焊接好的电池在注液前需要进行干燥工序，干燥工序是在真空烤箱里完成的，在烘烤过程中，常需要交替抽真空、充氮气。这种干燥方法，因热量是通过电池外壳传导至卷芯的，去湿效果不理想，为达到效果，只好以牺牲时间和电能为代价，干燥时间长，耗能大。

现在锂电池干燥、注液、化成工序是在不同的场所用不同的机器完成的，存在多次拆卸、搬运的问题，劳动效率低。

专利号为ZL 200920056694.5公开了一种锂离子电池注液及化成一体化夹具，其能使注液、化成工序在一个系统上完成，提高了生产效率，改善了环境污染问题。这个技术虽然比现有技术有所进步，但这个专利没有解决锂电池干燥、注液、化成工序在同一台系统上完成的需求，对电池注液技术没有根本的改进。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能把电池电芯干燥、注液、化成、封口、分容工序在一个装置上完成的机器。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种锂电池多工序一体化装置，包括升降装置、治具、用于定位锂电池电芯的电芯定位夹具，所述升降装置包括动力件及活动件，所述动力件驱动所述活动件升降，所述治具包括主体，所述主体挂接于所述活动件，所述主体具有与电芯一一对应的流体孔、注嘴及导电针，所述流体孔与所述注嘴连通，各所述流体孔串联形成用于连接注液系统的流体管路，所述治具还包括用于向所述注嘴输送钢珠的送钢珠机构，所述送钢珠机构设置于所述主体，所述电芯定位夹具设有用于串联各所述电芯外壳的导电体，工序开始前，所述电芯定位于所述电芯定位夹具，所述活动件将所述主体紧压在所述电芯上，使各所述注嘴与其对应的电芯的注液孔连通并密封，使各所述导电针与其对应的电芯的电极电连接；化成工序完成后，所述送钢珠机构将钢珠压入所述电芯的注液孔；干燥工序时，给串联的所述电芯的两端施加电压，使外壳有电流流过而自身发热，进而加热烘烤所述外壳内的卷芯。

所述钢珠可以指狭义上的钢材质的珠体结构，也可以指广义上的能够起到对电芯的注液口封口的结构体。

动力件可以是气缸机构、液压缸机构或连杆机构等。活动件在动力件驱动下竖直升降。

进一步的，所述电芯定位夹具包括构成方框的多个挡板，至少两个相互垂直的挡板为活动挡板，所述活动挡板与活动挡板气缸连接，所述方框内横向设有至少一个隔板，即隔板可以将电芯分成多排。

进一步的，所述隔板开有沟槽，使所述隔板与电芯贴合在一起的接触面形成供空气通过的气路。

进一步的，各所述挡板的内表面设有隔热板。

进一步的，所述打钢珠机构包括打钢珠气缸、钢珠冲针、钢珠导杆及送钢珠气缸，所述打钢珠气缸设置于所述主体，所述打钢珠气缸驱动所述钢珠冲针竖直升降，所述主体设有导杆孔、与所述钢珠冲针一一对应的冲针孔及与所述冲针孔一一对应的钢珠孔，所述钢珠导杆与所述导杆孔轴孔配合，所述钢珠导杆设有与所述冲针孔一一对应的钢珠收纳孔，所述送钢珠气缸驱动所述钢珠导杆在初始位置和工作位置间水平直线移动，在初始位置时，各所述钢珠收纳孔与其对应的钢珠孔对正，且各所述钢珠收纳孔与其对应的冲针孔错开；在工作位置时，各所述钢珠收纳孔对正与其对应的冲针孔和注嘴，且各所述钢珠收纳孔与其对应的钢珠孔错开。

送钢珠机构用于在注液、化成完后，输送钢珠而将注液口封口，其可以采用上述结构，也可以采用现有的封口结构，或者其他能够实现同样功能的封口结构。

进一步的，所述钢珠导杆上固套有密封轴套，所述钢珠导杆通过所述密封轴套与所述主体密封配合。

进一步的，所述密封轴套也设有贯穿的流体孔，所述密封轴套的流体孔与所述主体的流体孔一一对正连通。当然，密封轴套也可以对应设有供钢珠冲针通过的冲针孔及供钢珠通过的钢珠收纳孔。

进一步的，所述主体的导杆孔及对应于同一电芯的流体孔、冲针孔相互垂直贯通。

进一步的，所述注嘴上固定有弹性密封圈，所述注嘴通过所述密封圈与所述电芯的注液孔密封，且所述密封圈包覆所述注嘴的端面和外周面。

进一步的，所述注液系统包括电解液供给阀、真空电磁阀、氮气电磁阀及电解液回收电磁阀，所述电解液供给阀、真空电磁阀及氮气电磁阀连接所述流体管路的一端，所述电解液回收电磁阀连接所述流体管路的另一端。

进一步的，各导电针均固定于电源座，所述电源座活动设置于所述主体。该结构能够适应不同型号的电芯。

一种锂电池电芯干燥方法，所述电芯包括金属外壳及位于所述外壳内的卷芯，给所述电芯的两端施加电压，使所述外壳有电流流过而自身发热，加热烘烤所述外壳内的卷芯。

一种锂电池电芯干燥方法，所述电芯包括金属外壳及位于所述外壳内的卷芯，将多个电芯串联，在所述串联的电芯的两端施加电压，使各所述电芯的外壳有电流流过，所述外壳自身发热，加热所述外壳内的卷芯。

本发明的有益效果是：可以极大地改进电芯的制造工艺，可以在一个装置上完成多种工序，如干燥(烘烤)、注液、化成，封口、分容，极大地简化工序、提高电芯质量，可以实现新的电芯制造工艺，如加压注液、负压化成、边注液边化成等，提高电池的性能，可以实现电解液的回收，除节约外还极大地改善工作环境。

附图说明

图1是本发明总体结构主视示意图；

图2是图1中D所指处的局部放大图；

图3是沿图1的B-B方向的俯视示意图；

图4是图3中E所指处的局部放大图；

图5是沿图1的A-A方向的剖面示意图；

图6是本发明钢珠导杆的主视示意图；

图7是本发明钢珠导杆的俯视示意图；

图8是图5中H所指处的局部放大图；

图9是沿图5的C-C方向的剖面示意图；

图10是图9中F所指处的局部放大图；

图11是本发明的电芯定位夹具的立体结构示意图；

图12是本发明的电芯定位夹具的俯视示意图；

图13是本发明的治具流体孔串联及与电磁阀组连接示意图；

图14是本发明导电针、注嘴孔与电芯配合的示意图；

图15是本发明的电芯烘烤电源电路示意图；

图16是第二种实施方式的密封轴套的俯视示意图；

图17是第二种实施方式的密封轴套的主视示意图；

图18和图19分别是电芯定位夹具的隔板的另一种实施方式的主视图和左视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1至图17所示，本实施方式锂电池多工序一体化装置包括电气控制箱、升降装置、治具、电芯定位夹具及流体电磁阀。

如图1至图4所示，升降装置包括上模板1、下模板2、活动梁3、导柱4、导套5及主气缸6。上模板1和下模板2分别固定在导柱4的两端，活动梁3与导套5相固定，导套5套在导柱4上，主气缸6的主气缸筒7固定在上模板1，主气缸6的主气缸轴8与活动梁3固定而能驱动活动梁3上下移动。导柱4可以有两根或多根；对应的，导套5有两个或多个。

如图11及图12所示，电芯定位夹具固定在升降装置下模板2的上表面，包括固定挡板9、活动挡板10、盖板16、隔热板11、分隔板12、电极(导电体)13及活动挡板气缸14。固定挡板9有两块呈90度夹角并均与下模板2垂直，活动挡板10有两块呈90度夹角并均与下模板2垂直，活动挡板10由活动挡板气缸14驱动，一组电芯15(一组可以含有多排、每排可以含有多个电芯)放入这四个挡板中间，两个活动挡板10把这组电芯推到固定挡板9和把电芯固定定位。在下模板2上表面、两个固定挡板9内表面、两个活动挡板10内表面、盖板16下表面六个面都固定有隔热板11，以给烘烤中的电芯保温。隔热板11可以采用模具隔热板，其材质由玻璃纤维材料和高耐热性的复合材料合成，不含对人体有害石棉成份，具有较高的机械性能和介电性能，有较好的耐热性和耐潮性，有良好的加工性，热传导率低，耐高温可达250度(220度～300度)，高平整度，在高温下具有优异的抗弯强度。当然，隔热板也可以由其它能够满足隔热要求的材料制成。

如图12所示，隔板12横向把电芯分成几排，其作用是：1)使横向间的电芯相绝缘，但同一排的电芯相接触；2)选用不同厚度的隔板调节相邻排电芯的间距，以使不同宽度的电芯能在同一台机器上使用(为不使机器太复杂和调节困难，可以把本装置相邻排注嘴之间的间距制造成固定不能调节的)。在纵向的相对的固定挡板9、活动挡板10的隔热板11的外表面(与电芯接触的面)安装有电极13，把相邻的两排电芯连接起来，使不同排的电芯构成串联回路。如图18及图19所示，隔板11的两侧可以开有多条横向或纵向的沟槽43，使隔板11与电芯紧贴合在一起的接触面留有气路，当电芯化成、分容温度升高时，可以给这些气路通入冷却空气，与沟槽43紧邻相对的那部分电芯壳体与冷却空气接触，从而冷却温度过高的电芯。

如图1至图10所示，治具包括框架17、主体18、电源座19、打钢珠气缸20、送钢珠气缸21、钢珠斗22、钢珠冲针23、钢珠导杆24、注嘴25、弹性密封圈26、密封轴套27、电源支架28和弹性导电针29，该治具可以分成几个单元，每个单元可以给几个电芯进行作业，为叙述简便，以下按有四个单元，每个单元能给四个电芯进行操作的情况讲解。每个单元包括一个框架17、一个主体18、四个电源座19、一个冲针连接杆30、两个打钢珠气缸20、一个送钢珠气缸21、四个钢珠冲针23、一个钢珠导杆24、四个注嘴25、四个注嘴密封圈26、四个钢珠冲针密封轴套27、九个钢珠导杆密封轴套27、四个电源支架28、四个电源座19和四组弹性导电针29。框架17安装在活动梁3上，为适用不同长度的电芯，活动梁3为两个导柱结构，框架17有两个导套，一个导套套入一个导柱，使框架17可以沿活动梁3的导柱左右调节。主体18固定在框架17上，两个打钢珠气缸20的气缸筒固定在框架17上，两个打钢珠气缸20的气缸轴与一个冲针连接杆30相固定，一个冲针连接杆30与四个钢珠冲针23固定，四个钢珠冲针23随打钢珠气缸20的气缸轴上下移动。四个钢珠冲针可以分别插入四个冲针孔35。每个单元共有四个电源支架28，每个电源支架28为一个导柱、导套结构，导柱固定在主体18上，导套固定在电源座19上，使电源座19可以沿电源支架28的导柱左右移动，以适应不同型号的电芯(电芯电极与注液孔间距不同)，电源座可以由绝缘的塑料构成，每组弹性导电针29(根据情况，可以有一针、两针、四针等的情况)与电源座19相固定。主体18上下方向上开有冲针孔35，纵方向上开有导杆孔32，横方向上开有流体孔34，导杆孔32、流体孔34与冲针孔35相交，相交位置在注嘴孔36的上面，注嘴孔36与冲针孔35同一轴线。每个冲针孔35都安装一个密封轴套27，每一个钢珠孔31两边都安装一个密封轴套27，使流体孔34和注嘴孔36在注嘴25向下压住电芯后与外界空气密封隔离，每个注嘴25都具有一个环形密封圈26，在注嘴25向下压住电芯后使注嘴孔36与外界空气密封隔离和运行时防止泄露。注嘴25和导电针19的间距与电芯注液孔和铆钉的间距相同。送钢珠气缸21的气缸筒固定在主体18上，其气缸轴与钢珠导杆24相固定，在主体18上开有四个钢珠孔31，每个钢珠孔31与导杆孔32相通，在钢珠导杆24开有四个贯穿的钢珠收纳孔33，在送钢珠气缸21驱动下，收纳孔33在钢珠孔31和冲针孔35之间来回移动，在钢珠孔31收纳钢珠，在冲针孔35自由落下钢珠，落在注嘴孔36里。钢珠斗22可以有一个或多个，如有一个，装在机器上较高的位置，分16个细管引到治具的钢珠孔31里。

如图13所示，每个单元有4个流体孔34，在主体外部用管路把这4个流体孔34串联连通起来，再把不同单元的流体孔也串联连通起来，这样可以得到两条流体管，把这两条流体管连到电磁阀组上。电磁阀组可以包括真空电磁阀K3、氮气电磁阀K2、电解液供给电磁阀K4和电解液回收电磁阀K1，两条流体管中的一条与电解液回收电磁阀K1连接，另一条与氮气电磁阀K2连接，真空电磁阀K3、电解液供给电磁阀K4可以任意与电解液回收电磁阀K1或氮气电磁阀K2并联。

电气控制箱除按工序控制各种电磁阀(升降器气缸、打钢珠气缸、送钢珠气缸、活动挡板气缸、氮气、真空、电解液注入、电解液回收电磁阀等)、给导电针29提供化成、分容电源外，还给电芯定位夹具里的电芯提供烘烤电源，如图15所示，烘烤电源具有隔离输出变压器39，隔离变压器39付边与串联电芯相连接，原边接通市电，在原边电路具有温度控制单元40，温度控制单元40的温度传感器安置在电芯定位夹具内，比如在下隔热板的上表面。温度控制单元40通过温度传感器感知电芯温度的高低而控制隔离变压器的付边输出电压，当电芯的温度低于设定温度，温度控制单元40内部触点闭合使隔离变压器原边构成回路，付边有输出电压，使串联的电芯外壳流过电流而发热，自身为发热体使电芯得到加热而温度升高，当电芯温度达到或高于设定温度，温度控制单元40内部触点断开使隔离变压器原边不能构成回路，隔离变压器付边无输出电压。

如图1、图2和图14所示，治具固定在升降装置的活动梁3上，随主气缸的气缸轴上下移动，治具在上位置(初始位置)时，方便电芯放入电芯定位夹具里，治具在下位置(工作位置)时，每个注嘴孔36与电芯注液孔37相对、每个电源座的一根导电针19与电芯的铆钉相接触，注嘴的密封圈26承受一定的压力而变形，确保密封效果、与外界空气隔离和防止泄露，电芯内部空间通过注嘴孔36与治具流体孔34相通，通过控制电磁阀组，接受外部抽真空、注氮气、注电解液、回收电解液等的作业，导电针也受压变短，确保接触可靠，接受电气控制箱的化成、分容电压。

如图16及图17所示，在另一种实施方式中，钢珠导杆上的密封轴套27为整体轴套，其在长度方向上紧套在钢珠导杆上，通过该密封轴套实现钢珠导杆和主体的密封配合。该密封轴套设有钢珠收纳孔33、流体孔34和冲针孔35。该钢珠收纳孔33与主体的钢珠收纳孔33对应连通，该流体孔34和主体的流体孔34对应连通，该冲针孔35和主体的冲针孔35对应连通。

在另一种实施方式中，可以仅于主体上注嘴孔的位置设置流体孔，该流体孔与主体的注嘴孔对应连通。这种情况下，另一种实施方式中的整体轴套就不需设置流体孔34。

一体化装置的工作过程如下：

1、把电芯放入电芯定位夹具里，并塞入合适的隔板，两个活动挡板气缸电磁阀推进线圈通电，把两个活动挡板向里推进，把电芯压紧和定位。

2、升降气缸电池阀下降线圈通电，使治具向下移动，治具注嘴压住电芯。

3、给电芯通入烘烤电源，使串联的电芯的金属外壳流经电流发热。

4、按工艺要求，真空电磁阀、氮气电磁阀交替通电工作。

5、烘烤结束时，断开烘烤电源，真空电磁阀通电动作。

6、真空电磁阀断电，电解液供给电磁阀通电，电解液被电芯里的负压吸入电芯里。

7、电解液供给电磁阀断电，氮气电磁阀通电，把残留在注嘴孔的电解液压进电芯里，然后，电解液回收电磁阀通电，把流体孔、流体管的电解液回收到回收罐里，待回收工作结束后，氮气电磁阀、电解液回收电磁阀断电，把真空电磁阀通电，电芯内部承受负压，使电芯内部的气泡逸出，然后，真空电磁阀断电，氮气电磁阀通电，用压力把残留在注嘴孔的电解液压入电芯内部，可以这样反复几次，这是加压注液。

8、化成电源通电，真空电磁阀通电，开始化成工序，这是负压化成，电池内部的气泡容易逸出。

9、化成电源断开，真空电磁阀保持通电，开始静置工序。

10、待静置时间足够后，送钢珠气缸电磁阀推进线圈通电，导杆把钢珠送到注嘴孔，经过注嘴孔自由掉到电芯注液孔的上方。

11、打钢珠气缸电磁阀向下线圈通电，冲针向下把电芯注液孔上的钢珠压入注液孔里，然后，打钢珠气缸电磁阀向下线圈断电，打钢珠气缸电磁阀向上线圈通电，冲针向上移动复位，送钢珠气缸电磁阀推进线圈断电、后退线圈通电，导杆后退复位，新的钢珠掉入导杆的通孔里。

12、分容电源通电，电芯开始分容工序。

13、分容电源断电，升降气缸电磁阀向下线圈断电，升降气缸电磁阀向上线圈通电，治具向上移动复位。

14、活动挡板气缸电磁阀推进线圈断电，活动挡板气缸后退线圈通电，活动挡板后退复位。

一种电芯烘烤方法，给电芯的两端施加电压，使外壳有电流流过自身发热，加热烘烤外壳内的卷芯。

把多个金属壳电芯排成一排，在这排电芯的两端各放入一个电极，先给这两个电极施加一定的压力后，然后给这两个电极施加电压，使排成一排的电芯有电流流过、电芯金属外壳自身发热，加热烘烤外壳内的卷芯。

把多个电芯按长度方向排成一排。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种锂电池多工序一体化装置，其特征在于：包括升降装置、治具、用于定位锂电池电芯的电芯定位夹具，所述升降装置包括动力件及活动件，所述动力件驱动所述活动件升降，所述治具包括主体，所述主体挂接于所述活动件，所述主体具有与电芯一一对应的流体孔、注嘴及导电针，所述流体孔与所述注嘴连通，各所述流体孔串联形成用于连接注液系统的流体管路，所述治具还包括用于向所述注嘴输送钢珠的送钢珠机构，所述送钢珠机构设置于所述主体，所述电芯定位夹具设有用于串联各所述电芯外壳的导电体，工序开始前，所述电芯定位于所述电芯定位夹具，所述活动件将所述主体紧压在所述电芯上，使各所述注嘴与其对应的电芯的注液孔连通并密封，使各所述导电针与其对应的电芯的电极电连接；化成工序完成后，所述送钢珠机构将钢珠压入所述电芯的注液孔；干燥工序时，给串联的所述电芯的两端施加电压，使外壳有电流流过而自身发热，进而加热烘烤所述外壳内的卷芯。

2.如权利要求1所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述电芯定位夹具包括构成方框的多个挡板，至少两个相互垂直的挡板为活动挡板，所述活动挡板与活动挡板气缸连接，所述方框内横向设有至少一个隔板，所述隔板将各所述电芯分为多排。

3.如权利要求2所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：各所述挡板的内表面设有隔热板。

4.如权利要求2所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述隔板开有沟槽，使所述隔板与电芯贴合在一起的接触面形成供空气通过的气路。

5.如权利要求1所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述打钢珠机构包括打钢珠气缸、钢珠冲针、钢珠导杆及送钢珠气缸，所述打钢珠气缸设置于所述主体，所述打钢珠气缸驱动所述钢珠冲针竖直升降，所述主体设有导杆孔、与所述钢珠冲针一一对应的冲针孔及与所述冲针孔一一对应的钢珠孔，所述钢珠导杆与所述导杆孔轴孔配合，所述钢珠导杆设有与所述冲针孔一一对应的钢珠收纳孔，所述送钢珠气缸驱动所述钢珠导杆在初始位置和工作位置间水平直线移动，在初始位置时，各所述钢珠收纳孔与其对应的钢珠孔对正，且各所述钢珠收纳孔与其对应的冲针孔错开；在工作位置时，各所述钢珠收纳孔对正与其对应的冲针孔和注嘴，且各所述钢珠收纳孔与其对应的钢珠孔错开。

6.如权利要求5所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述钢珠导杆上固套有密封轴套，所述钢珠导杆通过所述密封轴套与所述主体密封配合。

7.如权利要求6所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述密封轴套也设有贯穿的流体孔，所述密封轴套的流体孔与所述主体的流体孔一一对正连通。

8.如权利要求5所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述主体的导杆孔及对应于同一电芯的流体孔、冲针孔相互垂直贯通。

9.如权利要求1所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述注嘴上固定有弹性密封圈，所述注嘴通过所述密封圈与所述电芯的注液孔密封，且所述密封圈包覆所述注嘴的端面和外周面。

10.如权利要求1所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：所述注液系统包括电解液供给阀、真空电磁阀、氮气电磁阀及电解液回收电磁阀，所述电解液供给阀、真空电磁阀及氮气电磁阀连接所述流体管路的一端，所述电解液回收电磁阀连接所述流体管路的另一端。

11.如权利要求1所述的锂电池多工序一体化装置，其特征在于：各导电针均固定于电源座，所述电源座活动设置于所述主体。

12.一种锂电池电芯干燥方法，所述电芯包括金属外壳及位于所述外壳内的卷芯，其特征在于：给所述电芯的两端施加电压，使所述外壳有电流流过而自身发热，加热烘烤所述外壳内的卷芯。

13.一种锂电池电芯干燥方法，所述电芯包括金属外壳及位于所述外壳内的卷芯，其特征在于：将多个电芯串联，在所述串联的电芯的两端施加电压，使各所述电芯的外壳有电流流过，所述外壳自身发热，加热所述外壳内的卷芯。

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