CN103298572A - 连续式方形电池叠片系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种连续式方形电池叠片系统和方法。系统包括：(a)位于系统上用以提供隔膜层、正极层和负极层的装置；(b)位于支架上用以切割正极层和负极层的切割器；以及(c)用以传送叠片电池的传送系统。传送系统包括旋转盘以及传送带。所述旋转盘是圆形，或等边多边形，或跑道运动场形。

Description

连续式方形电池叠片系统和方法

相关申请的互相引用

本申请要求2010年10月18日递交的申请序列号为61/394,284的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种连续式方形电池叠片系统和大型方形电池的快速制造方法。特别地，此系统和方法能够连续地叠放锂离子二次电池的隔膜层/正极层/隔膜层/负极层/隔膜层(S-C-S-A-S)。

背景技术

通常，锂离子电池主要用于消费性电子装置例如笔记本电脑、手机、照相机、摄影录像机和MP3播放器。用于上述装置的锂离子电池可以制成单个的电化学电池或多个串联或并联的电池，其取决于电力消耗需求。笔记本电脑的电池通常每组包括四至九个单体电池。用于这些装置的单体电池通常是小容量的（一般<2安培小时）。用于消费性电子装置的单电池通常具有卷绕式电极构造。此结构是一个狭长的夹层结构，其具有盘绕在芯轴上的正极层/隔膜层/负极层/隔膜层，从而形成“卷芯电池”整体结构。卷芯电池可以通过以下方式来加工：

(1)卷芯电池可以是紧螺旋式结构，其随后被置于圆柱形电池壳中进一步加工，例如用于笔记本电脑和电动工具中的18650和26650标准尺寸圆形电池。这里，“18”表示电池壳的直径为18mm，“65”表示电池壳的高度为65mm。“0”在此没有意义。

(2)卷芯电池可以是压缩扁平的卷绕式结构，其随后被置于塑料包装中，此时其通常被应用于手机电池、MP3播放器或类似尺寸的装置中。

卷绕设计使其适合于电极/隔膜组件的快速构造以及制造工艺的大规模自动化。通常，电极/隔膜组件可以在几秒（约2秒）内卷绕成型。单个自动化机器可以在短时间内在一个典型工序中构造出数百万的这样的电池结构。到目前为止，18650和26650型卷绕式锂离子电池已被大量生产，而取决于电池的设计和所选择的电极材料，其电化学容量常常不足4Ah。由于某些原因，在大容量电功率应用领域不适宜采用具有卷绕式设计的电池，这些原因包括保持所有卷绕的电极同轴的加工可行性以及当电池处以高倍率充电或放电时热管理问题引起的安全性。

不足4Ah容量的电池通常是基于卷绕式的构造，而大容量的电池（“大型”电池）是叠片的构造，在大型电池中，电极/隔膜组件包括隔膜/正（或负）电极/隔膜/负（或正）电极的多层交替层，根据电池的设计和规格，此叠片的排列可以多次重复（例如25至50次），以达到所预期的电池容量。

现有的大型电池叠片工艺是利用手工叠片或使用适于自动放置电极/隔膜组件的交替层的叠片机器。

手工叠片的工艺不能确保叠片过程的精确性，也不能确保叠片电池的质量。

现有的叠片设备要求每一正极层和负极层必须在分隔工序中被切割成所需的尺寸和形状。由于其薄度和在处理过程中获得静电荷的倾向，必须使用特定机器来切割或折叠隔膜材料（例如，Z折叠）。采用取-放的技术将电极层放置于它们各自的交替层上，这样单个机器装置（例如机械手）将取出单个电极层并且将其放置在电池叠片上。通常，拾取机器是通过装置和电极表面接触点上降低的气压（真空）来拾取电极。在叠片上拾取和放置电极的动作在几秒（约2到约5秒）的过程中发生。一般的25层复合电极层电池，叠片需花费约2到约5分钟来完成。因此，有必要提供一种适用于层状电池的具有改进结构的自动化制造系统，以及一种在连续式工艺过程中简化和提高组装效率的制造工艺。

发明内容

本发明的一个目的是，提供一种用以解决上述问题的连续式方形电池叠片系统和方法。此方法和系统作为整个电池制造过程的一部分，可以快速生产大型方形电池。此方法和系统提供：

切割各种尺寸和形状单个电极层的装置；

切割各种尺寸和形状隔膜层的装置；

处理薄的易于产生静电荷的隔膜层的装置；

在叠片过程中维持与定位相关的紧密度容限以及在叠片过程中保持电极层和隔膜层位置的装置；

就叠片层在叠片过程完成后和后续的完成电池构造中出现的不期望的移位或重新定位，稳定电极叠片的装置；

将电极和隔膜备存层供给切割子过程的装置，以使得与隔膜和电极表面的接触相对于现有方法减少或最小化。

为了达到上述的目的，本发明提供了一种连续式方形电池叠片系统，其包括:

(a)旋转盘系统，其中旋转盘是圆形，或等边多边形，或跑道运动场形。

(b)顺序地叠片隔膜层/正极层/隔膜层/负极层/隔膜层，以便每一层在旋转盘上被高速传送时轮流受到支撑。

(c)配置用于叠片方形电池的正极卷轴、隔膜卷轴、负极卷轴和隔膜卷轴，以便隔膜层、正极层、隔膜层、负极层和隔膜层的每一层在旋转盘上被高速传送时可以被置于彼此上方。层模式被设计成具有分别位于两端的两个隔膜层。在一个优选的实施方式中，隔膜层位于正极层和负极层之间。

(d)隔膜层、正极层和负极层的每一层配置有夹持处理器，以推动和放置各层于预先设置或预先指定的位置和地点。

(e)隔膜层、正极层和负极层的每一层配置有夹具，以稳定各层于预先设置或预先指定的位置和地点。

(f)正极层和负极层的每一层配置有切割器。

(g)在旋转盘的一侧配置有旋转加热装置，以加热和密封隔膜层。以及

(h)配置传送带，以移动叠片电池至下一道工序。

在另一方面，本发明包括一种方形电池叠片系统，其包括旋转盘，用以支撑隔膜层、正极层和负极层的每一层并使其沿他们的指定方向移动；多个卷轴，用以卷绕隔膜卷、正极卷和负极卷；多个夹持处理器，包括用于每个隔膜部分的第一夹持处理器和第二夹持处理器，用以下拉或固定隔膜层；多个夹持处理器，包括用于每个正极部分和每个负极部分的第一夹持处理器和第二夹持处理器，用以下拉或固定正极层和负极层；用于隔膜层、正极层和负极层的每一层的多个夹具，用以稳定各层于预先设定或预先指定的位置和地点；位于支架上的每个正极部分和每个负极部分的多个切割器，用以切割正极层和负极层；位于旋转盘的一侧的旋转加热装置，用以加热和密封隔膜层；以及传送带，用以移动叠片电池至下一个工序。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种连续式方形电池叠片系统，其包括相应地安装于支架的传送系统、卷轴、第一夹持处理器、切割器、第二夹持处理器、夹具以及旋转加热装置。

图2是本发明另一实施例的一种方形电池叠片系统，其为等边多边形旋转盘。

图3是本发明另一实施例的一种方形电池叠片系统，其为跑道运动场形旋转盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，实施例是本发明的优选实施方式，并且本发明不仅仅限于下述的实施方式和形式。

“大型”锂离子电池或蓄电池是指具有较大能量容量或安时（安培小时）数的电池或蓄电池。大型电池通常用于需要大量电池的应用装置例如电动车中。如果用小型电池，电池组将是通过并列或串联方式连接的多个单电池，以满足电压和电流两者的需求。通常，当应用装置涉及高能量和功率需求时，例如在电动车中，一般是采用大型电池以降低因电连接所造成的电池组的复杂性。由于在电池组或模块中只有很少的单个电池的连接，大型电池也降低了失效率。电动车的能量和功率的需求明显高于上述的消费性电子装置，根据电动车的类型通常在200-400V和100-500Ah的范围内。

依据本发明，仅仅需要使用包括两个隔膜层卷轴、一个正极卷轴和一个负极卷轴的四个卷轴。依据本发明的另一方面，旋转盘（RD）设计叠片系统能够减少制作多层方形电池叠片所需的卷轴的数量。例如，如果电池设计是具有11个正极层和10个负极层，那么隔膜层的数量为22。因为此过程设计的是将第一正极层放置于隔膜层上，所以如果方形电池是被设计成内部具有不止一个独立的电化学电池，那正极层的数量总是比负极层多一层。在叠片形成之前，对于此种电池设计，旋转盘（RD）将会旋转12次，然后，叠片将落置旋转盘（RD）下方的传送带（TB）上。本发明的显著效果是能够仅使用四个卷轴来连续地制作多层叠片。

依据本发明的另一方面，旋转盘系统是连续式方形电池叠片系统和方法，其不需要分隔装置和工序来切割负极层/正极层，也不需要折叠装置来折叠隔膜层。此系统将明显减少建立大型电池工厂的资金和空间投入。

依据本发明的另一方面，旋转盘系统能方便地调节以适应不同容量和不同尺寸的方形电池的制造。

特别地，在本发明一个实施例中，叠片方形电池的方法，包括：

(a)旋转盘系统，其中旋转盘是圆形，或等边多边形，或跑道运动场形。

(b)顺序地叠片隔膜层/正极层/隔膜层/负极层/隔膜层，以便每一层在旋转盘上被高速传送时轮流受到支撑。

(c)配置用于叠片方形电池的正极卷轴、隔膜卷轴、负极卷轴和隔膜卷轴，以便隔膜层、正极层、隔膜层、负极层和隔膜层的每一层在旋转盘上被高速传送时可以被置于彼此上方。层模式被设计成具有分别位于两端的两个隔膜层。在一个优选的实施方式中，隔膜层位于正极层和负极层之间。

(d)隔膜层、正极层和负极层的每一层配置有夹持处理器，以推动和放置各层于预先设置或预先指定的位置和地点。

(e)隔膜层、正极层和负极层的每一层配置有夹具，以稳定各层于预先设置或预先指定的位置和地点。

(f)正极层和负极层的每一层配置有切割器。

(g)在旋转盘的一侧配置有旋转加热装置，以加热和密封隔膜层。以及

(h)配置传送带，以移动叠片电池至下一道工序。

在另一方面，本发明包括一种方形电池叠片系统，其包括旋转盘，用以支撑隔膜层、正极层和负极层的每一层并使其沿他们的指定方向移动；多个卷轴，用以卷绕隔膜卷、正极卷和负极卷；多个夹持处理器，包括用于每个隔膜部分的第一夹持处理器和第二夹持处理器，用以下拉或固定隔膜层；多个夹持处理器，包括用于每个正极部分和每个负极部分的第一夹持处理器和第二夹持处理器，用以下拉或固定正极层和负极层；用于隔膜层、正极层和负极层的每一层的多个夹具，用以稳定各层于预先设定或预先指定的位置和地点；位于支架上的每个正极部分和每个负极部分的多个切割器，用以切割正极层和负极层；位于旋转盘的一侧的旋转加热装置，用以加热和密封隔膜层；以及传送带，用以移动叠片电池至下一个工序

请参照图1，其详细描述了本发明的一个实施例。图1中采用的图例定义如下：

RD——旋转盘（Rotary Disc）

TB——传送带（Transfer Belt）

RHD——旋转加热装置（Rotary Heating Device）

C1——第一正极卷轴（#1Cathode Spool）

C1H1——第一正极卷轴的第一夹持处理器（First Holder of#1CathodeSpool）

C1H2——第一正极卷轴的第二夹持处理器（Second Holder of#1CathodeSpool）

C1C——第一正极卷轴的切割器（Cutter of#1Cathode Spool）

C1CP——第一正极卷轴的夹具（Clamp of#1Cathode Spool）

S1——第一隔膜卷轴（#1Separater Spool）

S1H1——第一隔膜卷轴的第一夹持处理器（First Holder of#1SeparaterSpool）

S1H2——第一隔膜卷轴的第二夹持处理器（Second Holder of#1SeparaterSpool）

S1CP——第一隔膜卷轴的夹具（Clamp of#1Separater Spool）

A1——第一负极卷轴（#1Anode Spool）

A1H1——第一负极卷轴的第一夹持处理器（First Holder of#1Anode Spool）

A1H2——第一负极卷轴的第二夹持处理器（Second Holder of#1AnodeSpool）

A1C——第一负极卷轴的切割器（Cutter of#1Anode Spool）

A1CP——第一负极卷轴的夹具（Clamp of#1Anode Spool）

S2——第二隔膜卷轴（#2Separater Spool）

S2H1——第二隔膜卷轴的第一夹持处理器（First Holder of#2SeparaterSpool）

S2H2——第二隔膜卷轴的第二夹持处理器（Second Holder of#2SeparaterSpool）

S2CP——第二隔膜卷轴的夹具（Clamp of#2Separater Spool）

本实施例中（图1），提供了一种方形电池叠片系统，其具有以下用以依次或连续地叠片多个方形电池的功能。

实施例1：系统启动以获得隔膜层/正极层/隔膜层/负极层/隔膜层（S-C-S-A-S）叠片基本单元

叠片过程开始时，在第一个循环仅运作一个隔膜部分以在旋转盘上放置隔膜。同时运作隔膜卷轴（S1）、第一夹持处理器（S1H1）以及第二夹持处理器（S1H2）。连续地运作隔膜卷轴（S1）、第一夹持处理器（S1H1）以及第二夹持处理器（S1H2）并放置用于叠片的第一隔膜层。

旋转盘（RD）旋转，通过第二夹持处理器（S1H2）将第一隔膜层移动至旋转盘（RD）上，夹持处理器将第一隔膜层固定在旋转盘（RD）上。在操作的第二个循环期间，同时运作具有夹具（C1CP）的第一正极卷轴（C1）、第一夹持处理器（C1H1）以及第二夹持处理器（C1H2），并将正极层设置在指定位置。切割器（C1C）将会切割来自正极卷的正极层，以将其放置在正在过来的隔膜层的上方。

移动第一隔膜层和第一正极层以用于叠片第二隔膜层。在这期间，同时运作隔膜卷轴（S1）、第一夹持处理器（S1H1）以及第二夹持处理器（S1H2）。连续地运作隔膜卷轴（S1）、第一夹持处理器（S1H1）以及第二夹持处理器（S1H2）并在正极层上放置用于叠片的第二隔膜层。

在放置第二隔膜层之后，旋转盘（RD）将会移动方形电池至放置第一负极层的位置。在这期间，同时运作具有夹具（A1CP）的第一负极卷轴（A1）、第一夹持处理器（A1H1）以及第二夹持处理器（A1H2），并将第一负极层设置在预先指定的位置。切割器（A1C）将会切割来自负极卷的负极层，以将其放置在第二隔膜层的上方。

在放置负极层之后，旋转盘（RD）将会移动方形电池至放置第三隔膜层的位置。第二隔膜卷轴（S2）开始运作。同时运作隔膜卷轴（S2）、第一夹持处理器（S2H1）以及第二夹持处理器（S2H2）。连续地运作隔膜卷轴（S2）、第一夹持处理器（S2H1）以及第二夹持处理器（S2H2）并在负极层上放置用于叠片的第三隔膜层。

顺序地重复上述过程以叠片设计的方形电池。如果电池设计是具有11个正极层和10个负极层，那么隔膜层的数量为22。因为此过程设计的是将第一正极层放置于隔膜层上，所以如果方形电池是被设计成内部具有不止一个独立的电化学电池，那正极层的数量总是比负极层多一层。在通过旋转加热装置（RHD）将电池叠片落到传送带（TB）之前，旋转盘（RD）将会旋转12次。隔膜卷轴（S1）将作为第一的和最后的卷轴来提供电池叠片的第一层和最后一层。因此，方形电池的每一端都具有隔膜层。

旋转加热装置（RHD）将沿电池叠片的两边加热和密封多个隔膜层。

在旋转加热装置（RHD）的步骤完成之后，旋转盘（RD）将落下方形电池至传送带（TB）上，以进行下一道工序。

在本发明的另一实施例中，旋转盘（RD）是如图2所示的等边多边形。

在本发明的另一实施例中，旋转盘（RD）是如图3所示的跑道运动场形。

将来在制作过程中同时焊接和封装方形蓄电池：在放置了最后的隔膜层后，传送带（TB）将电池叠片定位于电池终端超声焊接台内。铝或其它金属的集流体终端材料将由备存卷来供料，切割至一定长度并被设置到无涂层的暴露的电极（正极或负极）上朝向传送带（TB）的外侧边缘，在那里，一系列超声焊接点刺穿并将已叠片的正极或负极层焊接在一起，并将它们焊接到终端材料。然后，电极叠片在传送器上平面翻转180°，并且顺序地重复另一电极（正极或负极）的送料、切割、定位和焊接。

本领域技术人员，在不超出本发明思想和权利要求所定义的范围情况下，可以对揭示的实施方式作在结构和/或功能上的改变。

Claims (7)

1.一种连续式制作电池的系统，其特征在于，其包括：

旋转装置，用于运送电池叠片以连续的加工该电池叠片；

正极供给装置，其具有正极卷轴、用于从该正极卷轴上处理正极层的处理器、用于在预定长度切割该正极层的切割器、以及用于夹持该正极层的夹具装置；

第一隔膜供给装置，其具有第一隔膜卷轴、用于从该第一隔膜卷轴上处理隔膜层的处理器、以及用于从该第一隔膜卷轴夹持该隔膜层的夹具装置；

负极供给装置，其具有负极卷轴、用于从该负极卷轴上处理负极层的处理器、用于在预定长度切割该负极层的切割器、以及用于夹持该负极层的夹具装置；

第二隔膜供给装置，其具有第二隔膜卷轴、用于从该第二隔膜卷轴上处理隔膜层的处理器、以及用于从该第二隔膜卷轴夹持该隔膜层的夹具装置；以及

切割装置，用于在预定长度切割该电池叠片以形成最终电池叠片。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括传送装置，用以接受和传送该最终电池叠片。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该旋转装置的形状是圆形、等边多边形或跑道运动场形。

4.一种连续式制作电池的方法，其特征在于，其包括：

a)提供电池制作系统，该电池制作系统包括用于运送电池叠片以连续的加工该电池叠片的旋转装置；正极供给装置，其具有正极卷轴、用于从该正极卷轴上处理正极层的处理器、用于在预定长度切割该正极层的切割器、以及用于夹持该正极层的夹具装置；第一隔膜供给装置，其具有第一隔膜卷轴、用于从该第一隔膜卷轴上处理隔膜层的处理器、以及用于从该第一隔膜卷轴夹持该隔膜层的夹具装置；负极供给装置，其具有负极卷轴、用于从该负极卷轴上处理负极层的处理器、用于在预定长度切割该负极层的切割器、以及用于夹持该负极层的夹具装置；第二隔膜供给装置，其具有第二隔膜卷轴、用于从该第二隔膜卷轴上处理隔膜层的处理器、以及用于从该第二隔膜卷轴夹持该隔膜层的夹具装置；以及用于在预定长度切割该电池叠片的切割装置；

b)通过该第一隔膜供给装置提供第一隔膜层；

c)通过该正极供给装置叠放第一正极层至该第一隔膜层上；

d)通过该第一隔膜极供给装置叠放第二隔膜层至该第一正极层上；

e)通过该负极供给装置叠放第一负极层至该第二隔膜层上；

f)通过该第二隔膜极供给装置叠放第三隔膜层至该第一负极层上以形成电池叠片；

g)通过该切割装置切割该电池叠片以形成最终电池叠片。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括在该步骤(g)之前循环重复该步骤(c)到(f)预定次。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该电池制作系统还包括传送装置，用于接受和传送该最终电池叠片。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该旋转装置的形状是圆形、等边多边形或跑道运动场形。

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