CN103443989A - 用于制造果冻卷型电极组件的心轴 - Google Patents
用于制造果冻卷型电极组件的心轴 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种心轴，所述心轴在由包括阳极/隔板/阴极结构的长片型层压件制造果冻卷型电极组件的卷绕过程期间使用。心轴的特征在于，心轴的相对于中心旋转轴线的垂直横截面的形状是椭圆形的；长轴的长度是短轴的至少1.5倍；并且在相对于中心旋转轴线的垂直横截面的形状中，心轴的表面的坡度从短轴的端部到长轴的端部形成椭圆形结构使得，当在被插入到心轴的中心截面之后卷绕片型层压的端部时在以固定的速度旋转心轴期间减小从长轴的端部施加到片型层压的卷绕应力。
Description
技术领域
本发明涉及一种被用于制造果冻卷型电极组件的心轴，并且，更加特别地，涉及一种心轴，该心轴被构造成在用于使用阴极/隔板/阳极结构的长片型堆叠体来制造果冻卷型电极组件的缠绕过程中使用，其中在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴是椭圆的，心轴的长轴与短轴的长度比是1.5或者更大，并且在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴的外侧的倾斜度从心轴的短轴的端部到心轴的长轴的端部连续地改变，使得心轴被构造成具有椭圆形结构，以便减小当片型堆叠体在其端部被配合在心轴的中心区域中的状态下被缠绕在心轴上时、在心轴的恒速旋转期间从心轴的长轴的端部施加到片型堆叠体的缠绕应力。
背景技术
随着移动装置已经被日益发展，并且对于这样的移动终端装置的需求，对于作为这样的移动装置的能源的二次电池的需求也已经被急剧地增加。在这样的二次电池是具有高能量密度和高放电电压的二次锂电池当中，已经执行许多研究并且现在被商用并且被广泛地使用。
取决于电池壳体的形状，二次电池可以被分类成具有被安置在柱状金属容器中的电极组件的柱状电池、具有被安装在棱柱金属容器中的电极组件的棱柱电池、或者具有被安装在由铝层压片形成的袋状壳体中的电极组件的袋状电池。
而且，被安装在电池壳体中的电极组件是电力产生元件，其具有阴/隔板/阳极堆结构，其能够被充电和放电。电极组件可以被分类成：果冻卷型电极组件，该果冻卷型电极组件被构造成具有如下结构，其中，施加活性材料的长片型阴极和长片型阳极在隔板被布置在阴极和阳极的状态下被缠绕；堆叠型电极组件，该堆叠型电极组件被构造成具有如下结构，其中，具有预定尺寸的多个阴极和具有预定尺寸的多个阳极在隔板分别被布置在阴极之间和阳极之间的状态下被顺次地堆叠；或者堆叠/折叠型电极组件，该堆叠/折叠型电极组件被构造成具有如下结构，其中，预定数目的阴极和预定数目的阳极在隔板分别被布置在阴极之间和阳极之间的状态下被顺次地堆叠以组成诸如二分电池（bi-cell）或者全电池（full cell）的单元电池并且然后使用隔离膜缠绕单元电池。果冻卷型电极组件优点在于，果冻卷型电极组件容易制造并且具有高的每单位质量能量。
同时，如在图1中所示，被用于制造电极组件的传统的心轴在垂直截面中被形成为六面形92或者成角的椭圆形。而且，传统的心轴的整体是由单一金属制成。传统的心轴具有下述问题。
首先，Y轴速率变化大于X轴速率变化，即，在心轴90的旋转期间在诸如电极的片型堆叠体被缠绕在心轴90上的位置处的线性速率的变化。
而且，力被集中于与心轴90的长轴的端部96接触的片型堆叠体的折叠部分，其在心轴90的旋转期间具有最大的回转半径，因此在片型堆叠体的折叠部分处，当片型堆叠体接触心轴时的加速度增加，从而被施加到片型堆叠体的折叠部分的冲击量增加。
此外，在片型堆叠体的折叠部分处的速率变化和被施加到片型堆叠体的折叠部分的冲击量使片型堆叠体的剩余应力增加。因此，当在后续过程，即，在压缩果冻卷电极组件的过程产生的应力被进一步施加到片型堆叠体的折叠部分时，片型堆叠体的折叠部分被破坏，从而电池的安全性被降低。
因此，从根本上解决上述问题的技术的必要性非常高。
发明内容
技术问题
因此，已经做出本发明以解决还没有解决的上述问题和其它技术问题。
由于对解决如上所述的问题的各种广泛和深入的研究和试验，本申请的发明人已经开发一种心轴，该心轴被构造成使得在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴是椭圆形的，心轴的长轴与短轴的长度比是预定值或者更大，并且心轴被构造成具有平缓的椭圆形结构，其中在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴的外侧的倾斜度从心轴的短轴的端部到长轴的端部连续地改变。另外，本发明人已经发现，当片型堆叠体在其端部被配合在心轴的中心区域中的状态下被缠绕在心轴上时大大地减小在心轴的恒速旋转期间从心轴的长轴的端部施加到片型堆叠体的缠绕应力。基于这些发现已经完成本发明。
技术方案
根据本发明的一个方面，通过提供一种心轴能够完成以上和其它目的，该心轴被构造成在缠绕过程中使用，该缠绕过程用于使用阴极/隔板/阳极结构的长片型堆叠体制造果冻卷型电极组件，其中在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴是椭圆的，心轴的长轴与短轴的长度比是1.5或者更大，并且在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴的外侧的倾斜度从心轴的短轴的端部到心轴的长轴的端部连续地改变，使得心轴被构造成具有椭圆形结构，以便减小当片型堆叠体在其端部被配合在心轴的中心区域中的状态下被缠绕在心轴上时、在心轴的恒速旋转期间从心轴的长轴的端部施加到片型堆叠体的缠绕应力。
在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，根据本发明的心轴被形成为具有平缓的曲线的椭圆形。因此，通过利用关于心轴的旋转中心轴线的椭圆等式绘制的曲线来决定心轴的截面，并且因此，当片型堆叠体被缠绕在心轴上时使线性速率变化最小化，从而减小片型堆叠体的应力的产生。
在具体示例中，在与如在图1中所示的心轴90的旋转中心轴线94垂直的截面中，传统的心轴90可以被形成为六边形92。因此，通过不具有固定的半径的心轴的旋转运动控制当在心轴上缠绕片型堆叠体时引起的直线运动，并且由于在那时产生的所减小的加速度的力的差异，片型堆叠体的应力是不均匀的。
例如，大致通过具有180度的周期的函数来表示相对于尺寸在理论上计算的用于补偿片型堆叠体的X轴速率Vx的变化的校正量。然而，实际上，在180度的点处存在具有不同的倾斜度的点，在该点处难以微分。对位移进行微分以获得速率，并且因此，产生在该点处速率被瞬间改变的点，这意味着加速度被急剧地改变，因此增加了冲击量。
这被认为是当心轴通常不是在椭圆截面中而是在六面体截面中旋转时产生的现象。即，当在心轴上缠绕片型堆叠体时产生的片型堆叠体的X轴速率Vx似乎在理论上与sinθ成比例。然而，实际上，当θ=90度但是角小于90度时，例如，在大约80度的角θ处，最大值不出现。这被认为是因为最大值存在于与旋转运动的圆周相切的点处。
另一方面，在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，根据本发明的心轴被形成为平缓的椭圆的形状。因此，即使在心轴的长轴的端部处的力变化也远远小于传统的心轴中的力变化，在心轴的长轴的端部处力变化大。结果，减小了被施加到片型堆叠体的折叠部分的力，并且因此，能够减小被施加到片型堆叠体的缠绕应力并且，同时，均匀化被施加到片型堆叠体的整体缠绕应力。
如上所限定的，基于心轴的旋转中心轴线，心轴的长轴与短轴的长度比是1.5或者更大。如果心轴的长轴与短轴的长度比小于1.5，则上述现象是无意义的。因此，本发明被应用于其中短轴和长轴的相对长度范围满足上述条件的心轴。优选地，心轴的长轴与短轴的长度比是1.5至4。
在优选的示例中，心轴可以被划分为第一心轴部和第二心轴部，该第一心轴部位于心轴的中心区域的一侧处，片型堆叠体的端部被配合在第一心轴部中，该第二心轴部位于心轴的中心区域的另一侧处。因此，能够调节第一心轴部和第二心轴部之间的距离，从而容易地调节果冻卷型电极组件的尺寸。
在上述结构中，第一心轴部和第二心轴部均可以包括主体部和边缘部，该主体部具有在接合状态下片型堆叠体被配合在其中的区域，该边缘部具有心轴的长轴的端部。
在上述结构的示例中，边缘部可以是由呈现比主体部的弹性模量低的弹性模量的材料形成。因此，当片型堆叠体被缠绕在心轴上时能够减小通过片型堆叠体和边缘部之间的接触产生的冲击量，从而减小对片型堆叠体的损坏和片型堆叠体的残余应力。优选地，边缘部具有等于主体部的弹性模量的0.001至0.5倍的弹性模量。
即，由低弹性模量形成的边缘部，呈现比由高弹性模数形成的主体部低的强度和高的弹性。
例如，主体部的弹性模量优选地是190至210GPa，并且边缘部的弹性模量优选地是0.4至3GPa。更加优选地，边缘部的弹性模量优选地是1至3GPa。
在优选示例中，主体部可以由金属材料形成，并且边缘部可以由塑性材料形成。
金属材料可以代表性地包括不锈钢（SUS）和模具钢（SKD）；然而，金属材料不限于此。
各种塑性材料可以被使用。例如，可以使用工程塑性材料，其基于自身润滑呈现高的耐磨损性并且高的耐久性。工程塑性材料可以从由例如聚酰胺（PA）、聚缩醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、改性聚苯醚（MPPO）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）以及聚醚醚酮（PEEK）组成的组中选择；然而，工程塑性材料不限于此。
在主体部和边缘部被一体化的情况下，能够减少制造心轴的过程的数目。
如先前所描述的，心轴被构造成具有平缓的椭圆形的结构，其中在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴的外侧的倾斜度从心轴的短轴的端部到心轴的长轴的端部连续地改变。这可以被表达为其中无倾斜度变化的区域不存在于心轴的短轴的端部与心轴的长轴的端部之间的结构。结果，在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴被形成为包括长轴和短轴的稍长的形状，并且心轴被构造成具有其中在心轴的外侧连续地并且平缓地改变倾斜度的结构。
在示例中，心轴的长轴的端部的曲率半径可能不小于心轴的短轴的长度的1/3倍，并且心轴的短轴的端部的曲率半径可能不小于心轴的长轴的长度的1.5倍。优选地，心轴的长轴的端部的曲率半径是心轴的短轴的长度的1/3至1倍，并且心轴的短轴的端部的曲率半径是心轴的长轴的长度的1.5至3倍。
根据情形，基于心轴的旋转中心轴线彼此面向的第一心轴部的侧面和第二心轴部的相应侧面可以被构造成具有锥形结构，其中当心轴在片型堆叠体被配合在心轴中的状态下旋转时，心轴的与片型堆叠体接触的侧面不被破坏。锥形结构的角度没有被特别地限制。例如，锥形结构的角度可能大约是10至60度。
根据本发明的另一方面，提供一种棱柱状二次锂电池，该棱柱状二次锂电池包括使用具有上述构造的心轴制造的果冻卷型电极组件。
在片型堆叠体的阴极/隔板/阳极结构被缠绕在心轴上之后，心轴被去除。所制造的果冻卷型电极组件被压缩并且被安装到棱柱状金属容器中。锂电解液被注入到电极组件中，并且电极组件被密封以制造棱柱状二次锂电池。
在根据本发明的棱柱状二次锂电池中，在缠绕过程以制造果冻卷型电极组件期间，能够减小从心轴的长轴的端部被施加到片型堆叠体的缠绕应力。因此，在其中所制造的果冻卷型电极组件被压缩并且然后被安装在棱柱状金属容器中的情况下，能够解决电极组件的一部分被破坏的问题，并且同时，在电池的使用期间保持棱柱状二次锂电池的优秀性能并且确保电池的安全性。
而且，与通过使用传统的心轴缠绕片型堆叠体获得的电极组件相比较，如上所述的通过使用被构造成在垂直截面中具有椭圆形的结构的心轴来缠绕片型堆叠体而获得的电极组件能够在垂直截面中保持适当的棱柱状，传统的心轴缠绕片型堆叠体获得的电极组件被构造成在垂直截面中具有圆形结构。因此，对于棱柱状二次电池的制造来说本发明是特别地优选的。
在本发明属于的领域中基于果冻卷型电极组件的电池的其它组件和及其制造方法是众所周知的，并且因此，将不给出其详细描述。
有益效果
从上面的描述显然的是，根据本发明，在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴是椭圆的，心轴的长轴与短轴的长度比是预定值或者更大，并且心轴被构造成具有平缓的椭圆形结构，其中在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴的外侧的倾斜度从心轴的短轴的端部到心轴的长轴的端部连续地改变。因此，当片型堆叠体在其端部被配合在心轴的中心区域中的状态下被缠绕在心轴上时，大大地减小了从心轴的长轴的端部施加到片型堆叠体的缠绕应力，从而确保电池的安全性。
附图说明
结合附图，根据下面的详细描述，将会更加清楚地理解本发明的以上和其它的目的、特征和其它优点，其中：
图1是示出传统的心轴的截面图；
图2和图3是示出根据本发明的实施例的心轴的截面图；并且
图4是在图2中示出的心轴的右侧视图。
具体实施方式
现在，将会参考附图详细地描述本发明的示例性实施例。然而，应注意的是，不通过被图示的实施例来限制本发明的范围。
图2和图3是典型地示出根据本发明的实施例的心轴的截面图，并且图4是典型地示出图2的心轴的右侧视图。
参考这些附图，心轴100在与心轴100的旋转中心轴线30垂直的截面中是椭圆形的，并且心轴100的长轴的长度H大约是心轴100的短轴的长度D的两倍。
而且，心轴100被构造成具有平缓的椭圆形的结构，其中在与心轴100的旋转中心轴线30垂直的截面中，心轴100的外侧的倾斜度从心轴100的短轴的端部52到心轴100的长轴的端部54连续地改变。因此，当片型堆叠体（未示出）在其端部被配合在位于心轴100的中心区域处的凹陷部分40的状态下被缠绕在心轴100上时，减小了在心轴100的恒速旋转期间从心轴100的长轴的端部54施加到片型堆叠体的缠绕应力。
凹陷部40被构造成具有保持或者释放片型堆叠体的端部的结构。
心轴100被划分为位于心轴100的中心区域的右侧处的第一心轴部10和位于心轴100的中心区域的左侧处的第二心轴部20，片型堆叠体的端部被配合在第一心轴部10中。
第一心轴部10和第二心轴部20均包括主体部14和边缘部12，主体部14具有在接合状态下片型堆叠体被配合在其中的区域，边缘部12具有心轴100的长轴的端部54。根据情况，该边缘部12可以是涂覆层，其具有预定的厚度，以覆盖主体部14的一部分。
主体部14由金属材料形成，并且边缘部12由呈现比主体部14的弹性模量低的弹性模量的塑性材料形成。
而且，主体部14和边缘部12通常被一体化形成。在与心轴100的旋转中心轴线30垂直的截面中，在心轴100的短轴的端部52和心轴100的长轴的端部54之间不设置无倾斜度变化的区域。即，从心轴100的短轴的端部52到心轴100的长轴的端部54连续地形成曲线。
心轴100的长轴的端部54的曲率半径r近似于是心轴100的短轴的长度D的一半，并且心轴100的短轴的端部52的曲率半径R近似于是心轴100的长轴的长度H的1.5倍。
而且，基于心轴100的旋转中心轴线30彼此面向的第一心轴部10的侧面和第二心轴部20的相应侧面被构造成具有锥形的结构16。因此，当心轴100在片型堆叠体被配合在心轴100中的状态下旋转时，心轴的与片型堆叠体接触的侧面不被破坏。
同时，主体部14和边缘部12被构造成具有凹凸型紧固结构。
虽然为了说明性目的已经公开了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员将会理解，在没有脱离如在随附的权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加以及替代是可能的。
Claims (13)
1.一种心轴，所述心轴被构造成在用于使用阴极/隔板/阳极结构的长片型堆叠体制造果冻卷型电极组件的缠绕过程中使用，其中：
在与所述心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，所述心轴是椭圆的，所述心轴的长轴与短轴的长度比是1.5或者更大，并且
在与所述心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，所述心轴的外侧的倾斜度从所述心轴的短轴的端部到所述心轴的长轴的端部连续地改变，使得所述心轴被构造成具有椭圆形结构，以便减小当在所述片型堆叠体的端部被配合在所述心轴的中心区域中的状态下所述片型堆叠体被缠绕在所述心轴上时、在所述心轴的恒速旋转期间从所述心轴的长轴的端部施加到所述片型堆叠体的缠绕应力。
2.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述心轴的长轴与短轴的长度比是1.5至4。
3.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述心轴被划分为位于所述心轴的中心区域的一侧处的第一心轴部和位于所述心轴的中心区域的另一侧处的第二心轴部，所述片型堆叠体的端部被配合在所述第一心轴部中。
4.根据权利要求3所述的心轴，其中，所述第一心轴部和所述第二心轴部均包括主体部和边缘部，所述主体部具有在接合状态下所述片型堆叠体被配合在其中的区域，所述边缘部具有所述心轴的长轴的端部。
5.根据权利要求4所述的心轴，其中，所述边缘部由呈现比所述主体部的弹性模量低的弹性模量的材料形成。
6.根据权利要求4所述的心轴，其中，所述主体部由金属材料形成，并且所述边缘部由塑性材料形成。
7.根据权利要求6所述的心轴，其中，所述边缘部由工程塑性材料形成。
8.根据权利要求7所述的心轴，其中，所述工程塑性材料选自：聚酰胺（PA）、聚缩醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、改性聚苯醚（MPPO）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）以及聚醚醚酮（PEEK）。
9.根据权利要求4所述的心轴，其中，所述主体部和所述边缘部被一体化。
10.根据权利要求1所述的心轴，其中，在与所述心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，在所述心轴的短轴的端部和所述心轴的长轴的端部之间未设置无倾斜度变化的区域。
11.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述心轴的长轴的端部的曲率半径不小于所述心轴的短轴的长度的1/3，并且所述心轴的短轴的端部的曲率半径不小于所述心轴的长轴的长度的1.5倍。
12.根据权利要求3所述的心轴，其中，基于所述心轴的旋转中心轴线彼此面向的第一心轴部的侧面和第二心轴部的相应侧面被构造成具有锥形结构，其中当所述心轴在所述片型堆叠体被配合在所述心轴中的状态下旋转时，所述心轴的与所述片型堆叠体接触的侧面不被破坏。
13.一种棱柱状锂二次电池，包括使用根据权利要求1至12中的任一项所述的心轴制造的果冻卷型电极组件。
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