CN105789681B - 一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置及控制方法，包括基元电池供应单元、基元电池计数器、控制中心、夹具单元和卷绕分隔板传送器，基元电池供应单元位于卷绕分隔板传送器一侧的上方，基元电池计数器位于卷绕分隔板传送器上方，基元电池计数器的信号输出端与控制中心的信号输入端连接，控制中心的信号输出端与基元电池供应单元的信号输入端连接，控制中心的信号输出端还与夹具单元的信号输入端连接，控制中心设置在夹具单元的上方，卷绕分隔板传送器位于夹具单元下方。本发明装置结构制造的电池芯组件一致性高，提高二次电池的质量，该二次电池作为具有多个蓄电池单元的中型和大型电池模块的单元被采用并应用于动力能源行业。

Description

一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于在卷绕分隔板上的布置基元电池的设备，该设备在制造具有平面状基元电池的折叠型电池芯组件的连续过程中使用，具体是一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置及控制方法。
背景技术
随着移动设备的逐渐发展，以及对这些移动设备的需求增加，作为用于移动设备的能源对二次储能器件的需求也急剧增加。在这些二次储能器件中，锂二次电池具有高能量密度和工作潜力、长周期寿命、以及低自放电率，其现在被商业化并且被广泛地使用。
一般具有阴极/隔板/阳极结构的电池芯组件构成二次电池，基于该电池芯组件的结构，该电池芯组件一般可被归类为卷绕型电池芯组件或叠片型电池芯组件。该卷绕型电池芯组件适合于柱形电池；然而，该卷绕型电池芯组件并不适合于棱柱形电池或袋状电池，因为该电池芯活性材料被隔开或空间利用率是低的；另一方面，叠片型电池芯组件具有的优点在于，该叠片型电池芯组件可以被构造成具有棱柱状结构；然而，该叠片型电池芯组件具有的缺点在于用于制造该叠片型电池芯组件的过程是复杂的，并且，当外部影响被施加到该叠片型电池芯组件时，该叠片型电池芯组件的电极片被推动而发生短路问题。
为了克服前述问题，具有改进结构的电池芯组件已经被开发出来并且被称为卷绕叠片型电池芯组件，该电池芯组件是上述所描述的卷绕型和叠片型电池芯组件的结合，其中具有预订的单元大小的阴极/隔板/阳极的异极电池或具有预定大小的阴极（阳极）/隔板/阳极（阴极）/隔板/阴极（阳极）结构的同极电池并且使用具有很长的长度的连续的分隔板卷绕，本发明中，具有如上文所描述的这样的结构的电池芯组件可以被称为卷绕叠片型电池芯组件。
如上文所描述，为了制造卷绕叠片型电池芯组件，相应的基元电池（异极电池或同极电池）应被放置在卷绕分隔板上准确的位置，并且在卷绕分隔板上基元电池之间的间距不相同并且必须遵循一定的规律，则在完成制造电池芯组件之后基元电池在电池芯组件中对应位置对齐，增强电池的一致性，参照图1所示，该示例图1中基元电池10在该图中所示的电池芯组件中对齐一致。如果基元电池在分隔板上随意分布不遵循一定的规律，则在完成电池芯组件的卷绕之后基元电池在电池芯组件中的位置参差不齐，参照图2所示，该示例图2中基元电池20在该图中所示的电池芯组件中参差不齐，且基元电池的极耳也会表现出不对齐不利于以后制造电池工序的进行，并且在完成电池的制造之后在测试期间也可能出现故障，或在测试中出现电池短路的问题。
因此，仍然存在对解决上文所描述的常规问题的强烈技术要求。
发明内容
因此，本发明致力于解决上文所描述的常规问题并且客服现有技术中的技术限制。
针对于上文所描述的常规问题，本发明通过广泛而深入的研究发现，基元电池必须以预定的位置放置在卷绕分隔板上，然后经过卷绕该被缠绕基元电池的分隔板而获得的电池芯组件，该电池芯组件的一致性较好，并且该电池芯组件中基元电池对齐度高，如示例性图3-4中所示，由于基元电池和卷绕分隔板都有一定的厚度存在，所以在卷绕该被缠绕基元电池的卷绕分隔板的过程中，未完成卷绕工序的电池芯组件的厚度在慢慢增厚，如果卷绕分隔板上的基元电池之间的间隔没有预先设定，最终卷绕获得的电池芯组件就会如同示例性图2所示，该电池芯组件中的相邻的两个基元电池有几率会发生接触，最终制造获得的二次电池中有很大几率产生短路问题；
图3中31、32、33、34、35、36、37、38均为极片，图4中41、42、43、44、45、46、47、48均为极片。
所以对于上文所以描述的问题，本发明通过广泛而深入的研究发现，相邻的两个基元电池之间的间隔存在一定的规律性，随着基元电池在分隔板上布置的数目增加，两个基元电池之间的间隔呈增大趋势；
作为广泛而深入的研究和实验结果，关于制造具有平面状基元电池缠绕在卷绕分隔板上的结构的卷绕叠片型电池芯组件的连续过程中，已经研发了如下所述的具有特定结构的在卷绕分隔板上布置基元电池的设备；该设备由基元电池供应单元、基元电池计数器、控制中心、夹具单元以及卷绕分隔板传送器组成；
另外，证实的是，在该卷绕分隔板上布置基元电池设备在制造卷绕叠片型电池芯组件的连续过程中被应用的情况下，基元电池能够很精确的被放置在卷绕分隔板上特定的位置，从而完成了本发明。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置，其特征在于，该装置包括基元电池供应单元、基元电池计数器、控制中心、夹具单元和卷绕分隔板传送器，所述基元电池供应单元位于卷绕分隔板传送器一侧的上方，所述基元电池计数器位于卷绕分隔板传送器上方，所述基元电池计数器的信号输出端与控制中心的信号输入端连接，所述控制中心的信号输出端与基元电池供应单元的信号输入端连接，所述控制中心的信号输出端还与夹具单元的信号输入端连接，所述控制中心设置在夹具单元的上方，所述卷绕分隔板传送器位于夹具单元下方。
所述夹具单元由第一夹具、第二夹具和夹具控制部组成，夹具控制部的信号输入端与控制中心的信号输出端连接。
所述卷绕分隔板传送器包括一个传送带和卷绕分隔板，卷绕分隔板上放置基元电池；传送带由宽度尺寸大于卷绕分隔板的带子和所述带子两端处的两个辊轴组成。
所述基元电池计数器包括光学记录仪，该光学记录仪安装在卷绕分隔板传送器与夹具单元之间的位置。
本发明还公开一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）基元电池计数器通过捕捉在卷绕分隔板上基元电池的个数而获取信号，并将信号传输至控制中心；
（2）控制中心根据从基元电池计数器接收的信号来确认卷绕分隔板上基元电池的个数，通过卷绕分隔板上基元电池的个数来设定下一次引入基元电池的时间并生成信号指令，并且将信号指令传输至基元电池供应单元，同时，控制中心将夹持基元电池的信号传输给夹具控制部，夹具控制部控制第一夹具和第二夹具；
（3）基元电池供应单元接收控制中心发出的引入基元电池的信号，引入一个基元电池，根据控制中心发出的夹持指令，夹具单元将基元电池从基元电池供应单元传送至卷绕分隔板传送器，并放置在卷绕分隔板上，然后通过卷绕分隔板传送器将被放置基元电池的卷绕分隔板传送至下一个卷绕工序。
本发明的有益效果：根据本发明可以制造结构一致性高的电池芯组件，由该电池芯组件可以提高制造的二次电池的质量，该二次电池作为具有多个蓄电池单元的中型和大型电池模块的单元被采用并应用于动力能源行业。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述会更加了解本发明的以上及其他目的、特征以及其他优点，其中：
图1是示出通过卷绕正确放置基元电池的卷绕分隔板而制造的卷绕叠片型电池芯组件的示例性结构，并且其中基元电池位置对齐一致；
图2是示出通过卷绕不正确放置基元电池的卷绕分隔板而制造的卷绕叠片型电池芯组件的示例性结构，并且其中基元电池位置参差不齐；
图3是示出基元电池在卷绕分隔板上分布的示例图；
图4是示出基元电池在卷绕分隔板上分布的示例图；
图5是示出根据本发明的示例性实施例的基元电池布置设备的示例图。
具体实施方式
以下，将参照附图对本发明的优选实施例进行详细的说明。但是，本领域的技术人员应明白本发明并不局限于以下的实施例。
本发明提供了一种在用于制造具有平面状基元电池，缠绕在卷绕分隔板上的卷绕叠片型电池芯组件的连续过程中，将基元电池精确布置在卷绕分隔板上特定位置，并且将被缠绕基元电池的卷绕分隔板，转送至卷绕装置的基元电池布置设备，该在卷绕分隔板上布置基元电池的设备具有如下结构：
一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置，该装置包括基元电池供应单元100、基元电池计数器200、控制中心300、夹具单元400和卷绕分隔板传送器500，基元电池供应单元100位于卷绕分隔板传送器500一侧的上方，基元电池计数器200位于卷绕分隔板传送器500上方，基元电池计数器200的信号输出端与控制中心300的信号输入端连接，控制中心300的信号输出端与基元电池供应单元100的信号输入端连接，控制中心300的信号输出端还与夹具单元400的信号输入端连接，控制中心300设置在夹具单元400的上方，卷绕分隔板传送器500位于夹具单元400下方。夹具单元400由第一夹具410、第二夹具420和夹具控制部430组成，夹具控制部430用以接受控制中心300发送的夹持基元电池信号并且控制第一夹具410和第二夹具420。卷绕分隔板传送器500包括一个传送带510和卷绕分隔板520；传送带510由宽度尺寸大于卷绕分隔板520的带子和所述带子两端处的两个辊轴组成，其中辊轴以顺时针旋转以带动被放置分隔板的带子。
本发明用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置的控制方法为：
参照图5，开始基元电池计数器200通过捕捉卷绕分隔板520上的已经被布置的基元电池10的个数并生成信号，并且基元电池计数器200将所述生成的信号传输至控制中心300。
控制中心300根据从基元电池计数器200接收的信号来确认卷绕分隔板520上基元电池10的个数，并且通过所述卷绕分隔板520上基元电池10的个数来设定下一次引入基元电池10的时间并生成信号指令，并且将该引入基元电池10的时间信号指令传输至基元电池供应单元100；同时，控制中心300将夹持基元电池的信号传输给夹具控制部430。
基元电池供应单元100通过接收和处理控制中心300发送的引入基元电池的时间指令信号，并且精确地在预定的时间点引入基元电池10，并且基元电池10被放置到能够被第一夹具410准确和快速夹持的位置上。
当其中第一夹具410夹持基元电池并且将它传送至卷绕分隔板传送器500时第二夹具420返回基元电池夹持位置，并且在第一夹具410的传送过程终止的时间点第二夹具420开始传送随后的基元电池。
在根据由控制中心300发出的夹持指令，夹具单元400将基元电池10从基元电池供应单元100传送至卷绕分隔板传送器500，并放置在卷绕分隔板520上，然后通过卷绕分隔板传送器500将被放置基元电池10的卷绕分隔板520传送至下一个卷绕工序。
根据本发明，基元电池可以是异极电池或同极电池。
作为基元电池的异极电池是由阴极/隔板/阳极的单元结构组成的电池，其中所述异极电池是具有阴极和定位在该阴极的相对侧处的阳极的电池。除了阴极/隔板/阳极的单元结构之外，该异极电池可以具有阴极/隔板/阳极/隔板/阴极/隔板/阳极的单元结构。
另外作为基元电池的同极电池是具有位于其相对侧处的相同电极的电池。例如，同极电池可以具有阴极/隔板/阳极/隔板/阴极的单元结构或阳极/隔板/阴极/隔板/阳极的单元结构。在该说明书中，具有定位在其相对侧处的阴极的电池被称为阴极型同极电池，并且具有定位在其相对侧处的阳极的电池被称为阳极型同极电池。
另外组成同极电池的阴极、阳极和隔板的数目不特别地受到限制，只要该多元电池具有位于其相对侧处的相同的电极即可。
在隔板设置在阴极和阳极之间的状态下，异极电池和同极电池通过联接该阴极和该阳极来制造。该联接方法的优选示例是焊接方法。在异极电池和同极电池中，例如，阴极通过将阴极活性材料、导电剂和粘合剂的混合物涂覆到阴极集流体的相对主表面并且进行干燥和挤压来制备。根据具体需要，可以将填料添加到该混合物。
一般而言，阴极集流体具有2到500μm的厚度。阴极集流体不特别地受到限制，只要阴极集流体具有高电导性，并且阴极集流体在应用该阴极集流体的电池中不诱发任何化学变化即可。例如，阴极集流体可以由铝、镍或其结合物制成。阴极集流体可以以各种形式被制造，所述形式诸如膜、箔、多空体和网状结构。
阴极活性材料可以是但并不限于层状化合物，诸如LiCoO2或LiNiO2，或由一种或更多种过渡金属取代的化合物；磷酸铁锂（LiFePO4）;由化学式Li1+xMn2-xO4(其中，x=0到0.33)表示的锂锰氧化物或诸如LiMnO3、LiMn2O3或LiMnO2的锂锰氧化物；锂铜氧化物；由化学式LiNi1-xMxO2(其中，M=Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B或Ga，并且x=0.01到0.3)表示的Ni基锂镍氧化物；由化学式LiMn2-xMxO2（其中，M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn或Pt，并且x=0.01到0.1）或化学式Li2Mn3MO8（其中，M=Fe、Co、Ni、Cu或Zn）表示的锂锰复合氧化物；二硫化物；或Fe2(MoO4)3。
一般添加导电剂，使得导电剂具有基于包括阴极活性材料的化合物的总重量的1%到55%的重量。导电剂不特别地受到限制，只要导电剂具有高电导性，并且导电剂在应用该导电剂的电池中不会诱发任何化学变化即可。例如，石墨类诸如天然石墨或人造石墨；导电纤维，诸如碳纤维或技术纤维；金属粉末，诸如铝粉或镍粉；导电金属氧化物，诸如氧化钛。
粘合剂的是协助活性材料和导电剂之间的结合以及与集流体结合的成分。一般以基于包括阴极活性材料的化合物的总重量的1%到55%的重量添加。一般作为粘合剂的物质可为，聚偏二氟乙烯、CMC、淀粉、聚乙烯、聚丙烯、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、丁苯胶和各类共聚物，或其两种以上的混合物。
另一方方面，本文中使用的阳极通过将阳极活性材料涂覆与阳极集流体并且对该阳极活性材料进行干燥和辊压而制成，并且可选地，如上文所描述的导电材料、粘合剂等可以进一步被包括。
阳极集流体一般被制造成2到500μm范围内的厚度。这样的阳极集流体不特别地受到限制，只要它具有高电导性而不造成电池的化学改性即可。一般，阳极集流体可以使用铜、镍、钛或用它们的合金等通过表面处理形成膜、片、箔状而制成。
一般阳极活性材料的示例可以包括：碳，超导碳；金属复合氧化物；硅基材料；锂金属；锂合金；金属氧化物；导电聚合物，诸如聚乙炔；Li-Co-Li材料等。
本文中所使用的隔板，该隔板放置于阴极和阳极之间，并且也可以作为卷绕分隔板，并且该隔板具有有高离子电导性和优良的机械性能的薄的电子绝缘膜来制成。隔板典型的具有10μm至300μm的厚度。作为隔板，其具有耐电化学腐蚀性和疏水性的烯烃类聚合物制成的片或制造物。
在本发明中，基元电池供应单元可以是能够连续引入基元电池的任何设备或结构，没有特定的局限性。本发明中基元电池供应单元作为一个黑盒子处理，其中功能主要连续引入基元电池，并且该基元电池供应单元能够接收下述控制中心发出的引入基元电池的信号，从而引入一个基元电池。作为优选示例，可以使用传送带。在传送带被用来供给基元电池的情况下，所述基元电池可以被连续引入并放置到能够被夹具准确和快速夹持的位置。
基元电池计数器可以包括例如光学记录仪，该光学记录仪安装在卷绕分隔板传送部与夹具之间的位置，用以记录基元电池被放置到卷绕分隔板上的个数；并且该记录仪具有累计到一定数目自动清零功能，然后清零过后自动进行下一轮的计数。也就是说，在自动清零前，该基元电池记数器只是记录制造一个电池芯组件中基元电池的个数。在进行记录制造下一个电池芯组件中基元电池的个数的时候，所述基元电池记录器会将最后记录的基元电池的信号传输至控制中心之后进行自动清零。所述记录仪该功能够使得本发明具有更广泛的应用，不会局限于特定基元电池在卷绕分隔板上分布结构的卷绕叠片型电池芯组件的制造。
控制中心可以根据从基元电池计数器接受的信号来确认卷绕分隔板上基元电池的个数，并且通过所述基元电池的个数来设定下一次引入基元电池的时间并生成信号指令，并且将该引入基元电池的时间信号指令传输至基元电池供应单元。基元电池供应器接受引入基元电池的时间指令信号，并且准确在预定的时间点引入基元电池并放置到夹具易于夹持的位置，并且发送夹持基元电池信号至夹具单元。
同时，本文中所述夹具在其结构方面不特别地受到限制，只要它根据由控制中心提供的夹持指令将基元电池从基元电池供应单元接受并放置在卷绕分隔板传送器中卷绕分隔板上就即可。
卷绕分隔板传送器用以接受来自夹具的基元电池，并且所述传送器连续将被放置基元电池的卷绕分隔板传送至卷绕装置，并且该卷绕分隔板传送器包括输送带。根据一个具体实施例，卷绕分隔板传送器可以具有一个输送带，所述输运带的宽度略大于卷绕分隔板的宽度，其中卷绕分隔板连续地布置在输送带上。并且隔膜传送过程中，所述输送带的传送速度均匀，且该传送速度可以根据具体实施条件而自由设定。
根据优选实施例，基元电池供应单元和卷绕分隔板传送器可以彼此相邻，使得基元电池被传送的时间缩短，从而提高制造电池芯组件的效率。
在本发明中的主要目的是制造基元电池对齐的电池芯组件。在前文所述的基元电池和卷绕分隔板都有一定的厚度，所以未完成的电池芯组件的厚度在卷绕被放置基元电池的卷绕分隔板过程中呈增厚趋势，所以卷绕分隔板上分布的各基元电池之间的间隔距离是不同的且遵循一定的数学规律。所述卷绕分隔板上第n-1个基元电池与第n个基元电池之间的间隔用英文字母Ln表示。
具体地说，由于电池芯组件中的基元电池的厚度与个数和卷绕分隔板的厚度已知，通过数学模型可以精确计算出该电极组件中各基元电池在卷绕分隔板上分布的间隔的大小。或者在实际制造电极组件过程中，通过拆分基元电池对齐的电池芯组件，利用高精度的测量工具直接测量所述电池芯组件中的各基元电池的间隔的大小。
卷绕分隔板传送器中输送卷绕分隔板的速度是均匀的，所述输送卷绕分隔板的速度用英文字母V表示。因此引入基元电池并将该基元电池放置在卷绕分隔板上的时间间隔是不同的。
前文所述夹具将基元电池从基元电池供应单元接收并放置在卷绕分隔板传送器中卷绕分隔板上的时间是不变的，该时间用英文字母T0表示。在具体制造过程中，可以通过技术创新尽可能缩短所述的基元电池从基元电池供应部输送至卷然分隔板传送器的时间。
通过以上说明可以总结出前文中所述的控制中心所设定的引入第n个基元电池的时间Tn，所述的引入第n个基元电池的时间可以通过数学表达式表示出来，Tn=Ln/V-T0。
在具体的实施过程中，通过准确获的卷绕分隔板上基元电池之间的间隔的具体数值，控制中心利用前文所述数学表达式可以精确地设定引入下一个基元电池的时间。在具体实施制造电池芯组件中，通过设定好的所述的下一次基元电池的引入时间Tn，通过夹具将所引入的基元电池放置在卷绕分隔板上确定的位置，所述的确定的位置是指所述引入基元电池在卷绕分隔板上被放置的位置，并且所述引入基元电池与上一次所引入的基元电池之间的间隔满足卷绕制造基元电池对齐的电极组件的条件。
利用本发明装置制造的卷绕叠片型电池芯组件中基元电池的对齐误差低于2%。举例说明，任意一个被制造出来的电池芯组件的宽度为W，内部被卷绕的基元电池对齐的电池芯组件宽度为W0，则所述被制造出来的电池芯组件的对齐误差=（W-W0）/W0×100%。
工业实用性
根据前述内容易于发现的是，根据本发明在卷绕分隔板上布置基元电池设备，可以有效地在制造电池芯组件过程中使其中的基元电池对齐，从而提高电池芯组件的一致性，防止电极片接触从而发生短路问题。
虽然上文已经为了例证性目的公开了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员应该明白，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，各种修改和变化是可能的。

Claims (5)

1.一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置，其特征在于，该装置包括基元电池供应单元、基元电池计数器、控制中心、夹具单元和卷绕分隔板传送器，所述基元电池供应单元位于卷绕分隔板传送器一侧的上方，所述基元电池计数器位于卷绕分隔板传送器上方，所述基元电池计数器的信号输出端与控制中心的信号输入端连接，所述控制中心的信号输出端与基元电池供应单元的信号输入端连接，所述控制中心的信号输出端还与夹具单元的信号输入端连接，所述控制中心设置在夹具单元的上方，所述卷绕分隔板传送器位于夹具单元下方。
2.根据权利要求1所述的一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置，其特征在于，所述夹具单元由第一夹具、第二夹具和夹具控制部组成，夹具控制部的信号输入端与控制中心的信号输出端连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置，其特征在于，所述卷绕分隔板传送器包括一个传送带和卷绕分隔板，卷绕分隔板上放置基元电池；传送带由宽度尺寸大于卷绕分隔板的带子和所述带子两端处的两个辊轴组成。
4.根据权利要求1所述的一种用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置，其特征在于，所述基元电池计数器包括光学记录仪，该光学记录仪安装在卷绕分隔板传送器与夹具单元之间的位置。
5.一种如权利要求1所述用于制造卷绕叠片型电池芯组件的装置装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）基元电池计数器通过捕捉在卷绕分隔板上基元电池的个数而获取信号，并将信号传输至控制中心；
（2）控制中心根据从基元电池计数器接收的信号来确认卷绕分隔板上基元电池的个数，通过卷绕分隔板上基元电池的个数来设定下一次引入基元电池的时间并生成信号指令，并且将信号指令传输至基元电池供应单元，同时，控制中心将夹持基元电池的信号传输给夹具控制部，夹具控制部控制第一夹具和第二夹具；
（3）基元电池供应单元接收控制中心发出的引入基元电池的信号，引入一个基元电池，根据控制中心发出的夹持指令，夹具单元将基元电池从基元电池供应单元传送至卷绕分隔板传送器，并放置在卷绕分隔板上，然后通过卷绕分隔板传送器将被放置基元电池的卷绕分隔板传送至下一个卷绕工序。
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