CN103460484B - 用于制造果冻卷型电极组件的心轴 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种心轴，该心轴使用长片型层压体制造果冻卷型电极组件的卷绕过程期间使用，果冻卷型电极组件包括阳极/隔板/阴极结构。心轴的特征在于，相对于中心旋转轴的垂直横截面的形状是椭圆形的；相对于中心部，心轴被分离成一侧上的第一心轴部和另一侧上的第二心轴部，片型层压的端部插入和固定到中心部中，其中第一心轴部和第二心轴部中的每一个均包括主部和可更换部，该主部包括插入和互锁片型层压的区域，该可更换部被附接到主部并且从主部拆卸，并且包括心轴的长轴的端部。

Description

用于制造果冻卷型电极组件的心轴

技术领域

本发明涉及一种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该心轴是椭圆的并且该心轴被划分为位于心轴的中心区域的一侧处的第一心轴部和位于心轴的中心区域的另一侧处的第二心轴部，片型堆叠体的端部被固定地配合在心轴的中心区域中，并且第一心轴部和第二心轴部均包括主体部和可拆卸地安装到主体部的更换部，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，该更换部具有心轴的长轴的端部。

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，其中在隔板被布置在阴极和阳极的状态下，施加活性材料的长片型阴极和长片型阳极被缠绕；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，其中在隔板分别被布置在阴极之间和阳极之间的状态下，具有预定尺寸的多个阴极和具有预定尺寸的多个阳极被顺次地堆叠；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，其中在隔板分别被布置在阴极之间和阳极之间的状态下，预定数目的阴极和预定数目的阳极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每单位质量具有高能量。

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的主轴的端部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半径的回转，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。

具体地，本发明的目的是为了提供一种心轴，该心轴包括第一心轴部和第二心轴部，其中第一心轴部和第二心轴部均包括主体部和可拆卸地安装到主体部的更换部，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，该更换部具有心轴的长轴的端部，使得即使当改变电极组件的标准时能够仅对更换部进行更换，从而大大地减少电极组件的制造成本和时间。

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，其中在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中该心轴是椭圆的，并且该心轴被划分为位于心轴的中心区域的一侧处的第一心轴部和位于心轴的中心区域的另一侧处的第二心轴部，其中片型堆叠体的端部被固定地配合在心轴的中心区域中，并且第一心轴部和第二心轴部均包括主体部和可拆卸地安装到主体部的更换部，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，该更换部具有心轴的长轴的端部。

在根据本发明的心轴中，第一心轴部和第二心轴部均可以包括主体部和可拆卸地安装到主体部的更换部，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，该更换部具有心轴的长轴的端部。因此，即使当电极组件的标准被改变时，能够仅对更换部进行更换，从而将心轴更换时间大大地减少到10分钟或者更少，这与传统的1个小时相比明显缩短。

而且，在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，根据本发明的心轴可以被形成为椭圆形。因此，当片型堆叠体在其端部被配合在心轴的中心区域的状态下被缠绕在心轴上时，在心轴的恒定速度旋转期间减小从心轴的长轴的端部施加到片型堆叠体的缠绕应力。

另外，根据本发明的心轴可以被划分为位于心轴的中心区域的一侧处的第一心轴部和位于心轴的中心区域的另一侧处的第二心轴部，片型堆叠体的端部被固定地配合在心轴的中心区域中。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。

在优选示例中，主体部可以包括紧固部，在紧固部向前和向后突出的状态下，该紧固部相对于心轴的旋转中心轴线被形成在前部区域和后部区域处，使得紧固部能够被安装到心轴旋转装置。

因此，在突出的紧固部被安装到心轴旋转装置的状态下，必要时能够仅对更换部进行更换，这是优选的。因此，根据电极组件的标准而对更换部更换时，不需要附加的调节，从而防止由于频繁的替换组件的磨损。

在另一优选示例中，更换部可以被构造成具有半椭圆形的结构，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，使得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、在心轴的恒定速度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。

因此，在根据本发明的心轴中，更换部可以被构造成具有半椭圆形结构，该半椭圆形结构具有平缓的曲线，其中在与心轴的旋转轴垂直的截面中，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，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，当在心轴上缠绕片型堆叠体时使线性速率变化最小化，从而明显地减小片型的应力的产生。

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，似乎通过具有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，根据本发明的心轴可以被形成为平缓的半椭圆的形状。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。

优选地，更换部的半椭圆结构被构造成使得在与心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，心轴的长轴与短轴的长度比是10或者更小。如果心轴的长轴与短轴的长度比大于上述值，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10。根据情形，心轴的长轴与短轴的长度比可以是1.5至4。

同时，主体部可以由金属材料形成，并且更换部可以由磁性材料形成，使得更换部能够被容易地联接到主体部并且能够从主体部容易地脱离联接，或者在更换部与主体部的接合部处由磁性材料形成。因此，能够提高主体部和更换部之间的联接同时片型堆叠体被缠绕在心轴上。

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。

根据情形，主体部和更换部之间的接合部可以被构造成具有包括凸起和紧固凹槽的结构，通过该结构提高了主体部和更换部之间的联接力。因此，更换部能够以配合方式被安装到主体部中，并且因此，能够实现稳定的紧固和容易的替换。

为了进一步提高主体部与更换部之间的联接力，包括凸起和紧固凹槽的结构例如可以被构造为使得主体部的接合部分包括朝向更换部突出的倒梯形紧固凸起。

同时，更换部可以是由金属材料或者塑性材料形成。根据情形，长轴的端部可以是由塑性材料形成。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。

如先前所描述的，更换部可以被构造成具有平缓的半椭圆形的结构，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。

优选地，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被构造成具有锥形的结构，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，提供一种棱柱状锂二次电池，该棱柱状锂二次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然后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，使用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，根据本发明的心轴包括第一心轴部和第二心轴部，其中第一心轴部和第二心轴部均包括主体部和可拆卸地安装到主体部的更换部，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，更换部具有心轴的长轴的端部。因此，即使当电极组件的标准被改变时，也能够仅对更换部进行更换，从而大大地减少电极组件的制造成本和时间。

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是和图3是示出根据本发明的实施例的心轴的截面图；以及

图4是在图2中示出的心轴的透视图。

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的心轴的透视图。

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。心轴100被划分为位于心轴100的中心区域的左侧处的第一心轴部10，片型堆叠体（未示出）的端部被固定地配合在心轴100的中心区域中；和第二心轴部20，该第二心轴部20位于心轴100的中心区域的右侧处。

第一心轴部10和第二心轴部20均包括主体部14，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；和更换部12，该更换部12被可拆卸地安装到主体部14，更换部12具有心轴100的长轴的端部。

而且，第一心轴部10的主体部14和第二心轴部20的主体部24包括紧固部60和62，在其中紧固部60和62向前和向后突出的状态下相对于心轴100的旋转中心轴线30该紧固部60和62被形成在前部区域和后部区域处。紧固部60和62被安装到心轴旋转装置（未示出）。

第一心轴部10的更换部12和第二心轴部20的更换部22被构造成具有平缓的半椭圆（gentle semi-oval）结构，在该结构中，当片型堆叠体在其端部被配合在心轴100的中心区域中的状态下被缠绕在心轴100上时，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，在心轴100的恒定速度的旋转期间，减小了从心轴100的长轴的端部54施加到片型堆叠体的缠绕应力。

半椭圆结构的更换部12和22被构造成使得在与心轴100的旋转中心轴线30垂直的截面中，心轴100的长轴的长度2d大约是心轴100的短轴的长度h的两倍。

主体部14和24是由金属材料形成，并且第一心轴部10的更换部12和第二心轴部20的更换部22是由磁性材料形成，使得第一心轴部10的更换部12和第二心轴部20的更换部22能够分别被容易地联接到第一心轴部10的主体部14和第二心轴部20的主体部24，并且能够分别从第一心轴部10的主体部14和第二心轴部20的主体部24脱离联接。根据情形，仅在更换部12和22和主体部14和24之间的接合部可以由磁性材料形成。即，更换部12和22可以由非磁性材料形成，并且磁性材料仅可以被附接到更换部12和22与主体部14和24之间的接合部。

而且，在主体部14和24与更换部12和22之间的接合部被构造成具有如下结构，即包括紧固凹槽17和27和朝着更换部12和22突出的倒梯形紧固凸起16和26，通过梯形紧固凸起和紧固凹槽提高了主体部14和24与更换部12和22之间的联接力。

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18。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24和更换部12和22被构造成具有和凹凸型紧固结构。

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 (11)

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，所述心轴在与所述心轴的旋转中心轴线垂直的截面中是椭圆形的，并且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固定地配合在所述心轴的中心区域中，

其中，所述第一心轴部和所述第二心轴部均包括主体部和可拆卸地安装到所述主体部的更换部，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，所述更换部具有所述心轴的长轴的端部，

其中，所述主体部和所述更换部之间的接合部包括凸起和紧固凹槽，并且

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。

2.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述主体部包括紧固部，在所述紧固部向前和向后突出的状态下，所述紧固部相对于所述心轴的旋转中心轴线形成在前部区域和后部区域处，使得所述紧固部能够被安装到心轴旋转装置。

3.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述更换部被构造成具有半椭圆形结构，在所述半椭圆形结构中，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，从而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、在所述心轴的恒定速度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。

4.根据权利要求3所述的心轴，其中，所述更换部的半椭圆形结构被构造成使得：在与所述心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，所述心轴的长轴与短轴的长度比是10或者更小。

5.根据权利要求4所述的心轴，其中，所述更换部的半椭圆形结构被构造成使得：在与所述心轴的旋转中心轴线垂直的截面中，所述心轴的长轴与短轴的长度比是1.5至10。

6.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述主体部由金属材料形成，并且所述更换部由磁性材料形成使得所述更换部能够容易地联接到所述主体部并且能够容易地从所述主体部脱离联接，或者所述更换部在与所述主体部的接合部界面处由磁性材料形成。

7.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述主体部的接合部分包括朝向所述更换部突出的倒梯形紧固凸起。

8.根据权利要求1所述的心轴，其中，所述更换部由塑性材料形成，或者所述长轴的端部由塑性材料形成。

9.根据权利要求8所述的心轴，其中，所述塑性材料是工程塑性材料。

10.根据权利要求3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。

11.一种棱柱状锂二次电池，包括使用根据权利要求1至10中的任一项所述的心轴制造的果冻卷型电极组件。