CN103117371A - 用于电极的压制装置,电极制造装置,以及电极制造方法 - Google Patents

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Abstract

根据实施例，一种用于电极的压制装置包括：压制单元，其用于压缩电极片，所述电极片包括其表面上形成有电极层的第一区域和其上没有形成所述电极层的第二区域；以及拉伸单元，包括拉伸部件并用于向所述第二区域施加张力，所述拉伸部件包括：突出表面，所述突出表面在对应于所述第二区域的位置与所述电极片相对立地设置并朝向所述电极片而突出；缩回表面，所述缩回表面在对应于所述第一区域的位置相对于所述突出表面从所述电极片缩回；以及释放表面，所述释放表面在对应于所述电极片的边缘部分的位置缩回远离所述电极片。

Description

用于电极的压制装置,电极制造装置,以及电极制造方法
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求享有申请日为2011年9月26日，申请号为No.2012-209722的在先日本专利申请的优先权，其全部内容以引用的形式包含在本发明中。
技术领域
本发明的实施例涉及电极的压制装置，电极制造装置，以及电极制造方法。
背景技术
近年来，存在对于用作混合电动汽车和传统小型电子装置的电源的高容量、长寿命、快速充电的电池的需求。电极被密集地压缩以促进在空间有限的电池内填充尽可能多的活性材料。
在制造电极的过程中，包含活性材料的电极材料被施加到由带状电能集电体形成的基部上，例如金属箔，并干燥以形成电极膜。
附图说明
图1是示出了根据第一实施例的压制装置的示意图；
图2是示出了压制装置的导辊和电极片S1之间的位置关系的图；
图3是沿着图2中A-A线的剖面图；
图4是沿着图2中B-B线的剖面图；
图5是示出了根据另一实施例的导辊的配置的剖面图；以及
图6是示出了根据另一实施例的导辊的配置的剖面图。
具体实施方式
根据一实施例，一种用于电极的压制装置包括压制单元和拉伸单元。压制单元用于压缩电极片。电极片包括在表面上形成有电极层的第一区域，以及没有形成电极层的第二区域。拉伸单元包括拉抻部件，其包括突出表面，缩回表面，和释放表面。该突出表面在对应于第二区域的位置与电极片相对立地设置，并朝向电极片而突出。该缩回表面在对应于第一区域的位置相对于突出表面从电极片处缩回。该释放表面在对应于电极片的边缘部分的位置缩回远离电极片。该拉伸单元用于向第二区域施加张力。
[第一实施例]
现在将结合图1至4描述根据第一实施例的电极制造装置和方法。在这些图中，箭头X，Y以及Z用于指示三个正交的方向。此外，为了便于说明，一些结构元件在尺寸上被放大或缩小，或者被省略。根据该实施例的电极制造装置包括如图1所示的用于电极的压制装置13。
图1所示的压制装置13包括压制单元31，拉伸单元32，以及收捡(take-up)单元33，它们依次在电极片S1的馈送方向从上游侧向下游侧设置。压制单元31用于压缩电极片S1以提高电极密度。拉伸单元32用于校正在压缩过程中发生的电极片S1的扭曲。收捡单元33用于收捡经压制及校正的电极片S1。
压制单元31包括一对压制辊31a和31b。当压制辊31a和31b通过驱动单元绕沿着Y轴延伸的轴旋转时，夹在其间的电极片S1被压缩模制。
当旋转轴33a通过驱动单元绕沿着Y轴延伸的轴旋转时，收捡单元33收捡环状电极片S1，从而形成卷R1。
拉伸单元包括多个金属导辊(驱动辊)34至38，并且其用于导引电极片S1从压制单元31至收捡单元33。纵向张力(收捡张力)作用于从压制棍31a和31b传递到收捡单元33的电极片S1。导引辊34至38可选地置于电极片S1的上表面和下表面上，从而使得电极片S1上的张力处于适于收捡操作的期望范围内。导引辊36用作拉伸部件。
如图2至4所示，导引辊36包括在阶梯部分43的一个轴向侧的小直径部分41以及位于另一侧的大直径部分42。释放部分44置于距边界预定距离的位置，该边界在另一侧的小直径部分41和大直径部分42之间。部分41和42为柱状结构，其通过阶段部分43彼此连接。释放部分44接续大直径部分42被形成且呈圆形，从而使得其直径逐渐减少，并且其轮廓为弧状。
小直径部分41、大直径部分42，以及释放部分44的外周表面分别构成缩回表面41a、突出表面42a，以及释放表面44a。特别地，导引辊36的外周表面与缩回表面41a、突出表面42a以及释放表面44a接续形成，缩回表面41a、突出表面42a以及释放表面44a分别面向电极片S1的涂覆区域A1、非涂覆区域A2，以及片S1的边缘部分Se。小直径部分41、大直径部分42，以及释放部分44的相应半径r1、r2和r3满足关系r1＜r3＜r2。
突出表面42a相对于由图3中虚线所指示出的传送面40而突出，并且伸缩表面41a与该传送面40分离。释放表面44a为弧状，以这种弧，其逐渐地与传送面40分离。
导向辊36和电极片S1被相对地设置，从而使得涂覆区域A1面向小直径部分41，并且不会在大直径部分42上运行。特别地，在涂覆区域A1和非涂覆区域A2之间的边界X位于阶梯部分43的附近，并且比阶梯部分43更靠近小直径部分41。
当电极片S1卷绕导棍36时，缩回表面41a或小直径部分41的外周表面不与基部S0或电极片S1的的电极层D相接触，从而在其间限定出了间隙40a。因此，由大直径部分42和小直径部分41的相应半径r2和r1之差(r2-r1)确定的水平差H大于每个电极层D的厚度t1(H＞t1)。
如果每个电极层D的厚度t1为100％，则水平差H(％)应该优选满足下列方程(1)：
150≤H≤600    …(1)
应力可以完全集中在非涂覆区域A2上，以通过调节水平差H至厚度t1的150％或更多来延伸这个区域。而且，在涂覆区域A1和非涂覆区域A2之间的边界X附近的起皱和破裂可以通过调整差H至厚度t1的600％或更少来抑制。为提高避免起皱和破裂的效果，H应当优选在200至400的范围内(200≤H≤400)。
释放表面44a与电极片S1的边缘部分Se相对立地设置。特别地，片S1的边缘部分Se相对于轴向方向(Y轴方向)位于释放表面44a的起始端部分P1的外侧。
如图4所示，进一步地，电极片S1绕导辊36缠绕的转角(jamb angle)θ应该优选为60°或更大。
进一步，导辊36包括加热器36a，其用作加热装置。通过在弯曲-矫直工艺中的加热装置来执行加热处理，促进拉伸形变。
如果以这种方式构造的绕导辊36缠绕的电极片S1被收捡单元33收捡，则其与接触表面接触的未涂覆区域A2在纵向方向(馈送方向)上通过张力被牵拉和拉伸。相应地，在压制操作中由于延伸率的差异所导致的电极片S1的弯曲被校正。
在根据本实施例的压制方法中，图1所示的压制装置13用于绕出要经受压制处理和拉伸处理的卷绕电极片S1。将电极材料涂覆预先施加至基部S0上述所得到的电极片S1的基材S0的上下表面，并通过干燥将其固化，来获得电极片S1。每个电极层D在基材基部S0的纵向方向上连续地形成。电极片S1形成具有涂覆区域(第一区域)A1和非涂覆区域(第二区域)A2，其中在涂覆区域中形成有电极层D，以及在非涂覆区域中，基部S0通过不涂覆电极层D而被暴露。
基部(带状电能集电体)S0为例如铝、铝合金或铜金属箔。基部S0的厚度(Z轴方向)为例如50微米或更小，宽度(Y轴方向)为数百毫米，以及长度为数千毫米。
电极材料(活性材料浆料)通过例如添加导电助剂以及粘合剂至所需的活性材料，以及将这些材料在有溶剂存在的条件下进行捏制来准备。所使用的活性材料可以用于正极材料或者负极材料。
正极活性材料并不限定于特定的一种，其可以是多种材料中的任意一种，包括钴酸锂(例如LiCoO2)、二氧化猛、锂锰复合氧化物(例如，LiMn2O4或LiMnO2)，含锂的镍氧化物(例如，LiNiO2)，含锂的镍-钴氧化物(例如LiNiO0.8O0.2O2)，含锂的铁氧化物，含有锂的钒氧化物或硫属化物，例如二硫化钛或二硫化钼。
负极活性材料并不限定于特定的一种，其可以是例如石墨或碳质材料(如，石墨，焦炭，碳纤维，碳球，气相热解碳素物质或燃煤树脂)，硫族化物(例如，二硫化钛，二硫化钼，或铌的硒化物)，轻金属(例如，铝，铝合金，镁合金，锂，或锂合金)，或锂钛氧化物(例如，钛酸锂尖晶石)。
导电助剂并不限定于特定的一种，其可以是例如，石墨，含碳物质，乙炔黑或炭黑。粘接剂也不限定特定的一种，其可以是例如，聚四氟乙烯(PTFE)，聚偏氟乙烯(PVDF)，或氟橡胶。
在压制工艺中，卷绕的电极片S1在当其插入至压辊31c和31b之间进行压制模制时展开。插入电极片S1的方向平行于其纵向方向。压缩主要施加于涂覆区域A1中的电极层D上，由此电极层D被压缩以及紧密。当该步骤完成后，非涂覆区域A2几乎没有被压缩，从而电极片S1在非涂覆区域A2较涂覆区域A1延伸得更少。结果，电极片S1扭曲或变形。
在压辊31a和31b之间穿过的电极片S1通过导棍34至38向下游传送到收检单元33。如图2至4所示，两个导辊36作为弯曲-矫直装置，当其完成时，涂覆区域A1和非涂覆区域A2分别与小直径部分41和大直径部分42相对立地设置。所以，电极片S1的非涂覆区域A2接触突出表面42a或大直径部分42的外周表面，同时在片S1的涂覆区域A1与小直径部分41的外周表面或缩回表面41a之间限定出间隙。
在拉伸工艺中，在该状态下，电极片S1由收捡单元33进行收捡。优选的是，在拉伸工艺中，张力F(N/mm2)处在与电极片S1短边方向(横向方向)平行的轮廓上，该张力应该设置在20-100的范围中(20≤F≤100)。如果张力F调整至20(N/mm2)或更多，则电能集电体的暴露部分可以完全地延伸，而不会未能保持精确地收捡电极所需的应力。如果张力F调整至100(N/mm2)或更少，则电能集电体的暴露部分可以完全地延伸，而不会导致电极的断裂，或未能精确地收捡电极。为了提高防止电极断裂以及收捡精度降低的效果，张力F应更优选地设置在20-40的范围内(20≤F≤40)，但是这取决于中心部分的水平差和形状。
在拉伸工艺中，弯曲-矫直应优选在加热器36a执行加热处理时执行，所述加热处理温度为例如60-150℃。如果加热处理温度T被调整至60℃或者更多，则可以提高减少塑性形变的必要压力的效果。此外，如果施加到电极片S1的压力应力是恒定的，那么通过加热来校正电极的变形或扭曲的效果可以提高。加热处理的温度T越高，这种效果就越容易达到。然而为了避免在加热中电极层D的退化，加热处理温度T应该优选调节至60-150℃。
因为压缩模制的电极片S1的涂覆区域A1延伸和松开，在导棍36的收捡张力(应力)几乎不作用于片S1，而是集中于在压缩后没有延伸的非涂覆区域A2。在此完成后，当使用与压缩过程中收检张力一样的张力将电极传送到收捡单元33时，电极的应变(strain)量相对于压缩后的应变量可以减少约10％。
在穿过导辊36之后，电极片S1通过导辊37和38由收捡单元33进行收捡。进一步，可以通过按照要求将环状的电极片S1切割成所期望的尺寸而得到电极体。电极片S1也可以直接用作电极体。
在蓄电池的制造过程中，电池通过依次执行多个处理步骤来完成，所述处理步骤例如有：将采用该方法制备的电极体布置到电池容器中，向电池容器中注入电解液，将该电池容器进行封装等。
根据上述的实施例，压缩模制的电极片S1被施加纵向张力，从而使得涂覆区域A1和非除覆区域A2分别与小直径部分(缩回部分)41和大直径部分(突出部分)42相对立地设置。因此，张力可以集中于非涂覆区域A2，从而使得非涂覆区域可以塑性形变以及完全延伸。所以，由压缩模制所导致的电极片S1的扭曲或变形可以被校正，并且可以防止所制造的电极破裂。因此，可以高生产效率地制造高质量的电极。
此外，根据本实施例，通过与释放表面相对立地设置边缘部边Se，可以减轻在非涂覆区域A2的边缘部分Se上的应力聚集。因此，如果在基部S0的边缘部分Se的端表面上形成有细小的裂纹或类似物，那么可以通过减小应力来防止产生裂纹产生和断裂。因此，如果在端面中的裂缝或裂纹例如遭受了应力聚集，则容易导致产生裂纹或断裂。然而，在本实施例中，应力聚集可以通过采用这种简单的配置来避免，所述配置即面向边缘部分的导辊36的部分的直径逐步减小从而形成释放表面44a，释放表面44a从传送面朝向轴(或者图3中向下)缩回。
本发明并不限定于上述的实施例，并且可以进行合适的修改。例如，在上述的实施例中，压制辊31a和31b用于压制单元31。然而，压制辊可以用一些其它能够紧密电极层D的结构来替代。例如，可以采用平面压制来替换压制辊。此外，在压制工艺中，压缩可以以多级方式来变化。
在上述的实施例中，多个导辊中的单个导辊36用作弯曲-矫直装置。然而，导辊的数量并不限定于五个，以及用作弯曲-矫直装置的导辊的数量和位置也不限定于上述实施例。
大直径部分42的外周表面形成为突出表面，其从导辊36的一个端部的外周围在其旋转轴的方向突出。然而，该外周围表面可以是能够提供延伸非涂覆区域A2的效果的任何表面。例如，阶梯部分以及大直径部分和小直径部分的位置和数量可以根据需要进行改变。
尽管电极层D布置在基部S0的相对立的表面，但是独立地，可以只有单个电极层D布置在基部S0的一个表面上。
尽管根据上述实施例的导辊36的释放部分44与大直径部分42接续形成，以及是圆形的，从而使得其直径逐步减小，以及其轮廓是弧状的，但是释放部分44的形状并不限定于此。例如，图5所示的导辊136包括在阶梯部分43的轴向距离处的锥形释放表面144，从而使得其直径减小以及其轮廓是倾斜的。释放部分144的外表面形成释放表面144a。而且在直径改变从而使得轮廓的形状是直的的情况下，在边缘部分Se上的应力聚集可以减轻，从而可以得到与第一实施例中的效果相同的效果。
进一步地，在图2所示的示例中，导辊36的阶梯部分43为直角或基本为直角。然而，可替换地是，阶梯部分43可以是锥形的。例如，如图6所示的导辊236，阶梯部分243的边角部分具有弧状表面，该表面具有曲率R的半径。边角部分的曲率R的半径越小，电能集电体的暴露部分的延伸的效果就越大。然而如果电极是弯曲的，则更小的半径更容易导致电极断裂。所以优选地是，曲率R(mm)的半径应该设置在0.5mm到7mm的范围内(0.5mm≤R≤7mm)。
尽管描述了特定实施例，但是这些实施例仅作为示例被呈现，并且并不意图限制本发明的范围。实际上，本文描述的新颖的实施例可以由多个其它形式进行实施；进一步地，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对本文所述的实施例在形式上进行各种省略、替代以及改变。所附的权利要求及其等同物意图覆盖落于本发明的范围和精神之内的此类形式或修改。

Claims (5)

1.一种用于电极的压制装置，包括：
压制单元，其用于压缩电极片，所述电极片包括其表面上形成有电极层的第一区域和其上没有形成所述电极层的第二区域；以及
拉伸单元，包括拉伸部件并用于向所述第二区域施加张力，所述拉伸部件包括：突出表面，所述突出表面在对应于所述第二区域的位置与所述电极片相对立地设置并朝向所述电极片而突出；缩回表面，所述缩回表面在对应于所述第一区域的位置相对于所述突出表面从所述电极片缩回；以及释放表面，所述释放表面在对应于所述电极片的边缘部分的位置缩回远离所述电极片。
2.如权利要求1所述的用于电极的压制装置，其中所述拉伸部件为辊，所述辊包括小直径部分、直径大于所述小直径部分的直径的大直径部分，以及释放部分，所述释放部分在所述大直径部分侧远离所述小直径部分和所述大直径部分之间的边界的部分处具有减小的直径，并且具有弧状轮廓的圆形形状，并且所述小直径部分、所述大直径部分以及所述释放部分的外周表面分别构成所述缩回表面、所述突出表面以及所述释放表面。
3.如权利要求1所述的用于电极的压制装置，其中所述拉伸部分为辊，所述辊包括小直径部分、直径大于所述小直径部分的直径的大直径部分，以及释放部分，所述释放部分在所述大直径部分侧远离所述小直径部分和所述大直径部分之间的边界的部分处具有减小的直径，并且具有倾斜轮廓的锥形形状，并且所述小直径部分、所述大直径部分以及所述释放部分的外周表面分别构成所述缩回表面、所述突出表面以及所述释放表面。
4.一种电极制造装置，包括如权利要求1所述的压制装置。
5.一种电极制造方法，包括：
压缩电极片，所述电极片包括其表面上形成有电极层的第一区域和其上没有形成所述电极层的第二区域；以及
向拉伸部件施加张力，所述拉伸部件包括：在其外周表面上，面向所述电极片的所述第一部分的缩回表面，面向所述第二区域并朝向所述电极片突出的突出表面，以及面向所述电极片的所述第二区域的边缘部分的释放表面，所述释放表面与所述突出表面接续形成并从所述电极片缩回，通过将所述电极片的所述第二区域与所述拉伸部件接触，从而拉伸所述第二区域。
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