CN105940542A - 圆柱形电化学电池和制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电化学蓄电池可以包括：围绕圆柱形芯卷绕以形成极组结构的第一电极片和第二电极片，所述第一电极片和第二电极片各自包括与极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；第一隔片和第二隔片，机械地和电性地隔离第一电极片和第二电极片的涂层相对表面并且机械地和电性地隔离圆柱形芯与第一电极片的涂层相对表面；以及从无涂层导电边缘形成的开槽切口，开槽切口在形成极组结构时相对于圆柱形芯在角度上联合定位。

Description

圆柱形电化学电池和制造方法

技术领域

本公开涉及一种电化学电池，尤其涉及一种电化学电池的制造，其提供等效或者提高的电性能和热性能以及降低的制造成本。

背景技术和发明内容

为了生产具有低电阻抗的高功率圆柱形电化学电池，当前的生产技术需要通常通过焊接将多个导电极耳沿着电极长度装配到电极基板箔的几个点处。为了减少电池阻抗，极耳的数量相应地增加。

分离极耳装配的几种常规方法目前被应用于电化学蓄电池、电化学电容器、电解电容器、干膜电容器以及类似电器件的制造中。用于分离极耳装配的常规方法包括：去除涂层电极的两侧区域中的涂层并且将极耳焊接到暴露的无涂层区域，随后在焊接的极耳以及电极的位于焊接极耳相反侧上的暴露箔上覆盖绝缘盖层。在其他常规方法中，可以通过部分地涂布电极表面而留下未涂布的无涂层电极边缘箔来避免涂层去除步骤。此外，极耳可以被粘附在无涂层电极区，或者备选地由无涂层电极区切除并形成。然后，可以应用绝缘带以覆盖极耳，以便避免极耳边缘处的电气短路。在无分离极耳的情况下提供电极至卷绕的电极组件的电连接的常规方法包括将无涂层边缘箔盲焊至板。也可以通过以机械压力将板固定至无涂层电极箔边缘而提供电连接。

发明人在此已经认识到上述方案的潜在问题。即，在使用分离极耳的情况下，电流会沿着电极导通至位于多个分离点的极耳的小区域，从而由于高局部欧姆加热而产生在比电极的其余部分明显高的温度下工作的区域。此外，电池安时(Ah)容量由于用于极耳装配的无涂层区域而整体减小，在无涂层区域中阳极与阴极电容比率的局部差异可在锂离子电池化学的情况下导致局部锂镀层。另外，电池制造复杂度增加，制造速度降低，需要附加功能来完成涂层去除、极耳焊接以及胶带操作，并且需要更大的金融投资来启动生产。在箔边缘处盲焊的情况下，在焊接工艺期间释放的分散金属颗粒沉积在卷绕的电化学蓄电池(例如，“极组(jellyroll)”)组件的敏感区会增加产量损耗，并且在电池使用期间会产生电气短路。在焊接形成之后检测和验证焊接的质量也是困难的。在机械压力的情况下，电连接可能由于接口表面随着时间氧化或者钝化、由于冲击和振动引起的接触力的损耗、热膨胀以及由于内部压力引起的部件变形而退化。此外，保持足够的接触电阻所需的接触压力可能局部地超过箔的屈服强度，从而限制了连接的功率性能。

至少部分地解决上述问题的一种方案包括一种电化学蓄电池，其包括围绕圆柱形芯卷绕以形成极组结构的第一电极片和第二电极片，所述第一电极片和所述第二电极片各自包括与极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；第一隔片和第二隔片，机械地和电性地隔离所述第一电极片和所述第二电极片的涂层相对表面并且机械地和电性地隔离圆柱形芯与所述第一电极片的涂层相对表面；以及从所述无涂层导电边缘形成的开槽切口，所述开槽切口在形成极组结构时相对于圆柱形芯在角度上联合定位。

在另一个实施方式中，一种用于电化学蓄电池的方法包括：围绕圆柱形芯卷绕第一电极片和第二电极片以形成极组结构，所述第一电极片和所述第二电极片各自包括与极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；在第一电极片与第二电极片之间围绕圆柱形芯卷绕第一隔片和第二隔片，以机械地和电性地隔离第一电极片和第二电极片的涂层相对表面并且机械地和电性地隔离圆柱形芯与涂层相对表面；以及从第一电极片和第二电极片的无涂层导电边缘切割出槽以形成开槽切口，开槽切口在形成极组结构时相对于圆柱形芯在角度上联合定位。

在另一个实施方式中，一种用于圆柱形电化学电池的方法包括：形成第一电极和第二电极，将第一电极和第二电极安装在圆柱形芯上，将第一电极和第二电极卷绕在圆柱形芯上，以及固化第一电极和第二电极以将第一电极和第二电极电连接到电化学蓄电池的第一端子和第二端子。

将理解，以上概述是为了以简化形式介绍在具体实施方式部分中进一步描述的概念选取而提供。这不意味着确定要求保护的主题的关键或者必要特征，要求保护的主题的范围仅由说明书随附的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决以上或者在本说明书中的任何部分中提及的任何缺点的实施方案。

附图说明

图1示意性地示出电化学蓄电池的立体图。

图2A、图2B分别示意性地示出用于电化学蓄电池的涂层电极的平面图和立体图。

图3A、图3B分别示意性地示出用于电化学蓄电池的涂层电极的平面图和立体图。

图4A示意性地示出电化学蓄电池的卷芯的立体图。

图4B示意性地示出电化学蓄电池的卷芯的端部侧视图，该卷芯具有部分卷绕的第一隔片和第二隔片以及部分卷绕的第一电极和第二电极。

图5A示意性地示出电化学蓄电池的端部侧视图。

图5B示意性地示出电化学蓄电池的立体侧视图。

图6A和图6B示意性地示出用于装配电化学蓄电池的步骤的立体图。

图7至图9示意性地示出用于装配电化学蓄电池的步骤的立体图。

图10示意性地示出电化学蓄电池的端部侧的放大部分立体图。

图11示意性地示出用于电化学蓄电池的卷芯的备选实施方式的立体图。

图12示意性地示出电化学蓄电池的备选实施方式的立体图。

图13、图14示出了装配电化学蓄电池的示例方法的流程图。

具体实施方式

现在将通过举例的方式并且参考以上列出的图示实施方式来描述本公开的方面。在一个或者多个实施方式中可能基本相同的部件、工艺步骤以及其他要素被统一标识并且尽量不重复描述。然而，应该注意，统一标识的要素也可以在某种程度上不同。还应该注意，除非另有标注，否则在本公开中包含的附图是示意性的，并且通常没有按比例绘制。而且，在附图中示出的各种绘图比例、长宽比以及部件的编号可以被特意变形，以使得某些特征或者关系更易于观看。然而，图1和图4至图12是按比例绘制，然而其他相关尺寸可以被采用。

本说明书涉及一种圆柱形电化学蓄电池及其制造方法，相比于常规的圆柱形电化学蓄电池及其常规的制造方法，其提供了等效或者改善的电性能和热性能并且制造成本降低。电化学蓄电池的示例实施方式在图1中示出。图2A、图2B、图3A和图3B示出了形成第一电极片层和第二电极片层的步骤。在图4A中描绘了电化学蓄电池的圆柱形卷芯的示例，在图4B中示出电化学蓄电池的示例圆柱形卷芯的端部侧视图，该示例圆柱形卷芯具有部分卷绕的第一隔片和第二隔片以及部分卷绕的第一电极和第二电极。图5A和图5B分别示意性地示出电化学蓄电池的端部侧视图和切割箔固化步骤之后的电化学蓄电池的立体侧视图。图6A、图6B和图7至图9示意性地示出在用于装配电化学蓄电池的各个步骤已经进行之后电化学蓄电池的立体图。图10示意性地示出电化学蓄电池的端部侧的放大局部立体图。图11示意性地示出用于电化学蓄电池的卷芯的备选实施方式的立体图。图12示意性地示出电化学蓄电池的备选实施方式的立体图。图13至图14示出装配电化学蓄电池的示例方法的流程图。

分离极耳装配的几种常规方法目前被应用在电化学蓄电池、电化学电容器、电解电容器、干膜电容器以及类似电器件的制造中。阻断或者去除两侧上电极宽度的电极涂层，暴露了下面的金属基板箔。然后，极耳被焊接到这个暴露的箔区。然后在焊接的极耳区以及电极的相对侧的暴露箔上应用诸如胶带的绝缘盖层。从靠近电极的边缘的小矩形区去除两侧上的电极涂层，两侧都暴露下面的箔。极耳被焊接到前面清除的矩形区内的暴露箔。绝缘带或者类似物被覆于极耳焊接区的两侧。电极被涂布以使得具有两侧均无涂层的无涂层边缘区域的暴露的箔。极耳被焊接到这个暴露的箔区域并且可以通过带绝缘以避免极耳尖锐边缘处的电气短路。电极被涂布以使得具有两侧均无涂层的宽的无涂层边缘区域的暴露箔，无涂层区的宽度等于用于电池装配所需的最长极耳的宽度。通过激光切割、水射流切割或机械冲孔从这个暴露边缘箔切割出分离的极耳。

在不使用分离的极耳的情况下与卷绕的电极组件的电连接目前通过几种方法来完成。将无涂层电极边缘箔盲焊到平板或者具有升高区的板，其增加了箔边缘与焊接板之间的物理接触，板被受压固定至暴露的无涂层电极箔边缘。箔边缘也可以弯曲以关于箔板的主体形成90度角，以便增加用于焊接的潜在面积和载流截面面积。保持具有或者不具有升高脊形区域的平板之间的压力，利用压力来保持平板与暴露的箔边缘之间的低接触电阻。箔边缘也可以弯曲以关于箔板的主体形成90度角，以便增加用于焊接的潜在面积和载流截面面积。

利用分离极耳的不利之处可能在于电流沿着电极被引导到位于分离的点的极耳的小区域，产生了由于高局部欧姆加热而引起的在明显高于电极的其余部分的高温下运行的区域，尤其在电池处于重电负载下。此外，电池安时容量由于装配极耳所需的涂层去除面积而总体上减小。在暴露的区域中电极(例如，阳极与阴极)电容比率的局部差异可能在锂离子电池化学的情况下导致锂电镀的区域。此外，从无涂层电极边缘箔切割的整体分离极耳的宽度可能非常宽，降低了涂层和压延工艺的效率，从而增加了电池制造成本。另外，电池制造设备更为复杂，需要额外的功能来完成涂层去除、极耳焊接以及胶带操作，并且需要更多的金融投资来开始生产。另外，电池制造工艺速度降低，以便完成涂层去除、极耳焊接以及极耳胶带操作，因而增加了电池制造成本。

与盲焊到箔边缘相关的缺点包括由于在焊接工艺期间金属颗粒分散到“极组”电化学蓄电池组件的敏感区而增加了生产产量损耗。这些分散的金属颗粒可能在电化学蓄电池的寿命期间由于与两个电极都接触而产生电气短路。此外，取决于在箔和集电器板中采用的金属类型，分散的颗粒可能在电池的电化学环境下侵蚀或者溶解，然后再沉积于其上，形成枝状沉积并且在一段时间之后产生内部短路。检测和验证焊接的质量也是困难的，由此增加了制造缺陷率。

与机械加压相关的缺点包括接触电阻由于接口表面的氧化或者钝化而随时间增加。此外，由于箔的移位引起的接触力或者压力的损耗可能在电化学蓄电池的使用期间在电化学蓄电池受到的冲击和振动的作用下发生。另外，用于保护足够的接触电阻所需的接触压力可能局部地超过箔的屈服强度，由此限制了连接的功率容量。另外，接触电阻可能由于热膨胀系数和由于内部压力引起的部件变形而增加。

现在转至图1，其示出了具有螺旋卷绕的圆柱形构造(例如，极组结构)的电化学蓄电池100的示例，其相比于常规方法和常规电化学蓄电池提供了等效或者改善的电性能和热性能并且制造成本降低。极组电化学电池结构可以包括围绕圆柱形芯120卷绕的涂层第一电极片和第二电极片以及第一隔片和第二隔片(通常绘制为图1中的110)，以形成至壳体端子的低电阻连接，而不将分离极耳焊接到独立电极。如图1所示，圆柱形芯120可以具有诸如六角中心的钥式中心，其可以帮助便于安装和拆卸圆柱形芯至卷绕芯轴并且可以帮助在卷绕期间旋转芯，如在下文进一步描述的。电化学蓄电池100也包括在电池的两个轴端部的暴露箔边缘130，其中可以形成开槽切口136，开槽切口136从螺旋卷绕的电池极组结构的外径表面向着圆柱形芯的表面径向延伸穿过极组结构中的卷绕电极片层(并且形成开口)。在一个示例中，如图1所示，电化学蓄电池100可以包括两组联合定位的开槽切口136。联合定位的开槽切口136的组可以是相应的组，其中在每组中的每个开槽切口沿着极组结构中的每个卷绕电极层可以包括相同的角弧长度。此外，成对的联合定位的开槽切口136的组可以近似在直径上形成，例如关于芯120彼此完全直径相对、或者完全直径相对的几度范围内。此外，在电化学蓄电池100的任意轴端部的开槽切口136的组可以是在角度上对准，如图1所示。开槽切口136的组可以关于旋转的卷绕角度切割成特定图案，产生一系列联合定位的箔区138。注意切口形状可以是槽口或者其他这种形状，并且不一定限于通过物理切割材料形成的特征。

现在转至图2A和图2B，其示出了用于形成第一电极片200的方法中的步骤。在一个示例中，第一电极可以包括阳极。然而，第一电极可以替代地包括阴极、正电极或者负电极。在用于锂离子电化学蓄电池的阳极的情况下，第一电极可以包括电活性锂嵌入材料或者在连续涂层工艺中涂在金属箔基板的两侧的金属锂涂层。可以应用特定宽度230的涂层，在涂层部分之间留下箔的无涂层边缘部分224。在应用涂层之后，具有涂层表面的电极可以被干化和压延。然后，涂层片材可以被沿着涂层部分的交替边缘220被分切，从而产生具有箔的暴露的无涂层边缘部分224的连续的电极材料，该连续的电极材料从第一电极片200的一个边缘上的涂层区210延伸特定宽度230。第一电极片200也包括箔的宽度240的无涂层边缘部分224。

现在转至图3A和图3B，其示出了用于形成第二电极片300的方法中的步骤。在一个示例中，第二电极可以包括阴极。然而，第二电极可以替代地包括阳极、正电极或者负电极。在用于锂离子电化学蓄电池的阴极的情况下，第二电极可以包括专门制备的磷酸铁锂粉末、导电碳和聚合物粘合剂的混合物。该混合物可以在连续涂层工艺中涂在金属箔基板的两侧以形成第二电极300。可以应用特定宽度330的涂层，在涂层部分之间留下箔的无涂层边缘部分324。在应用涂层之后，具有涂层表面的电极可以被干化和压延。然后，涂层片材可以被沿着涂层部分的交替边缘320被分切，从而产生具有箔的暴露的无涂层边缘部分324的连续的电极材料，该连续的电极材料从电极300的一个边缘上的涂层区310延伸特定宽度330。第二电极片300也包括箔的宽度340的无涂层边缘部分324。

现在转至图4A，其示出了电化学蓄电池的圆柱形卷芯400的示例。圆柱形卷芯400可以包括沿着圆柱形卷绕轴470的中空中心芯410。圆柱形卷芯400的端部可以是钥式的，例如，六角钥式的，如图4A所示，以便于卷绕、安装以及拆卸卷绕设备上的圆柱形卷芯，并且便于安装芯插件，如下文进一步描述的。圆柱形卷芯的长度可以小于第一和第二电极片的宽度，使得电极片的边缘突出至圆柱形卷芯400的端部之外，如图1所示。圆柱形卷芯400可以包括金属或塑料。

现在转至图4B，其示出了具有部分卷绕的电极片和隔片的圆柱形卷芯400的端视图。如上所述，圆柱形卷芯400可以包括中空的中心芯410并且还可以包括钥式端416。如图4B中所示，第一隔片450、第一电极片452、第二隔片454以及第二电极片456可以按顺序围绕圆柱形卷芯400卷绕。电极片和隔片的部分卷绕层460形成电池的卷绕直径480。第一隔片450和第二隔片454可以包括不导电多孔材料诸如烯烃聚合物、含氟聚合物、玻璃纤维、陶瓷纤维、纤维素材料及其组合，例如陶瓷涂层的聚合物、陶瓷填充聚合物和玻璃填充聚合物。

为了装配电池极组结构，中空的塑料或金属圆柱形卷芯400可以被放置或者安装在卷绕机的轴上。第一隔片450和第二隔片454的宽度边缘可以沿着芯的轴长度定中心并且利用胶带固定至芯。然后，圆柱形卷芯400可以旋转至少一周。第一电极宽度边缘可以定位于第一隔片和第二隔片之间平行于圆柱形卷芯轴470。然后，卷芯可以旋转一周，由此捕获并固定在第一隔片450和第二隔离片454之间的第一电极片452。接下来，第二电极片456可以定位于第二隔片454与已经卷绕在芯上的第一隔片450之间平行于圆柱形卷芯轴470。然后，圆柱形卷芯可以连续旋转，直到所需长度的第一电极片和所需长度的第二电极片已经卷绕成极组构造和/或所需的总卷绕直径480被实现。图4B还示出了分别围绕圆柱形卷芯400分层卷绕的第一隔片450和第二隔片454以及分别围绕圆柱形卷芯400分层卷绕的第一电极片452和第二电极片456。

第一电极和第二电极的宽度可以都大于第一隔片和第二隔片的宽度，但是都可以包括小于或等于第一隔片和第二隔片的宽度的涂层宽度。此外，第二电极可以包括比第一电极的涂层宽度略微窄的涂层宽度。通过这种方式，隔片可以机械地和电性地隔离围绕圆柱形卷芯卷绕的第一电极和第二电极的涂层表面。此外，在第一电极为负电极并且第二电极为正电极的情况下，使第二电极的涂层宽度比第一电极的涂层宽度窄可以避免金属锂沉积在暴露的被分切的边缘上和第一电极的暴露的金属箔基板上。金属锂的沉积可能减少可用存储的电能的量以及增加电化学电池在受到热、电和/或机械应力时退化和耐久性的风险。

在卷绕工艺期间，以关于旋转的卷绕角的特定图案，可将窄的开槽切口136切割成暴露的电极箔边缘130，从而产生一系列联合定位的箔区138，箔区138后续在固化步骤中朝向中心芯机械地自由变形并且被固化以用于焊接。固化和焊接步骤可以用以将第一电极片的卷绕层彼此电连接，将第二电极片的卷绕层彼此电连接，以及将第一电极片和第二电极片的卷绕层电连接到通过导电芯插件710、720形成的电化学蓄电池的端子。

槽切割工艺可以基于卷绕芯轴旋转角度来进行。通过这种方式，每层中的槽可以径向地对准并且角度地联合定位，使得第一电极和第二电极的后续层中的槽形成极组结构中的开口，该极组结构从电池的外表面延伸到圆柱形卷芯的外表面。

切割槽的长度可以被控制以产生自由弧长度，该自由弧长度涵盖了极组结构中电极材料的每层中从45°(π/4弧度)到大于或等于115°(大约2弧度)但是小于180°(例如，小于π弧度)的夹角。切割的优选弧长度可以取决于从极组的外侧直径到芯表面的径向距离，并且可以取决于芯表面的形状为凸的、凹的或平的。切割槽弧长度及其角度位置可以基于总卷绕芯轴旋转角度来控制，或者基于极组结构的卷绕角度、材料厚度和卷绕直径(或者半径)中的一个或者多个来控制。

现在转至图6A和图6B，其示出了在将第一电极片和第二电极片以及第一隔片和第二隔片卷绕到圆柱形卷芯630上期间部分装配的电化学蓄电池600的立体图。图6B是图6A中区域6B的部分装配的电化学蓄电池600的放大立体图。部分装配的电化学蓄电池600包括电极片(例如，第一电极片或者第二电极片)的涂层宽度610、电极片的无涂层边缘部分640以及隔片620(例如，第一隔片或者第二隔片)，它们卷绕而形成部分极组结构650。虽然在图6A和图6B中没有明确示出，但是部分装配的电化学蓄电池600可以包括第一电极片和第二电极片二者以及第一隔片和第二隔片二者，它们部分卷绕而形成部分极组结构650。涂层宽度610可以小于或等于隔片620的宽度以确保隔片620都电性地和机械地隔离第一电极片和第二电极片。

无涂层边缘部分640可以包括多个开槽切口670。开槽切口可以在卷绕之前或者在电极片被卷绕到圆柱形卷芯630上时形成。如图6B所示，开槽切口670的形状通常为长圆形、长并且窄。此外，开槽切口的长度690随着在圆柱形芯上卷绕的电极片的长度增加而增加(并且开槽切口之间的间隔694减少)，使得在将电极片卷绕在圆柱形卷芯630上时，开槽切口670可以相对于圆柱形卷芯630在角度上联合定位。如上所述，开槽切口的长度可以相应于弧长度，该弧长度涵盖了在将电极片卷绕在圆柱形卷芯630上时等于或大于45度但是小于180度的夹角。此外，后续的开槽切口670的长度中心线696可以间隔开，使得它们在卷绕在圆柱形卷芯630上时相对180°，并且形成极组结构中的开口636，该极组结构从电化学蓄电池的外表面径向地延伸到圆柱形卷芯630的外表面。

槽切割工艺可以通过逻辑控制的激光切割、高压水射流切割、机械模切割或者通过其他通常已知的工业切割或者冲压工艺来执行。卷绕工艺继续进行，直到第一电极片和第二电极片的最终长度被卷绕，和/或最终卷绕直径被卷绕。然后，极组可以被旋转一周或者更多附加周以通过第一和/或第二隔片将极组结构的外层全部覆盖，极组的外层可以被一层或者多层胶带固定。胶带可以具有与第一和/或第二隔片相同的宽度或者略微更宽的宽度。产生的极组组件和卷芯被从卷绕机芯轴去除。

现在转至图7，其示出了电化学蓄电池的全部卷绕的极组结构700。极组结构的外表面的中央部分可以包括绝缘隔片620以及相邻的边缘部分640，边缘部分640包括在极组的任一端652、654处暴露的、从在角度上联合定位的开槽切口670形成的开口636。导电芯插件710和720可以与轴770对准并且分别插入在圆柱形卷芯630的端部654和652处。通过这种方式，导电芯插件710和720可以形成电化学蓄电池的正端子和负端子(或者负端子和正端子)。图8示出了电化学蓄电池的全部卷绕的极组结构700，其包括插入的导电芯插件710和720(710未示出)。

现在转至图9，暴露的箔边缘部分640的与第一和第二电极片的卷绕层的开槽切口670邻近的部分940、944可以被固化，在中心区按压部分940、944以与极组的两侧上导电芯插件710和720的表面压力接触和电接触。在一个示例中，按压可以通过将极组结构安装在具有一个或者多个活动模具的固定装置(fixture)中来被执行，模具的形状对应于暴露的箔边缘部分640的与在角度上联合定位的开槽切口670邻近的部分的长度。按压的部分940、944可以通过适当方案被焊接到中心芯插件的侧面，由此产生第一电极和第二电极与金属芯的低阻电和热连接。焊接可以通过超声波振动焊、电阻焊、或者通过熔接诸如激光或电子束焊接来执行。

开槽切口670的形状可以被变形实现各种特性。例如，开槽切口670可以包括大圆形(例如，曲面化、圆化)端部950，以便减小在所述端部处箔边缘上的应力并且减小撕裂电极片的风险，包括减小在将电极片电连接到导电芯插件时将电极片的邻近开槽切口670的部分按压和变形期间撕裂电极片的风险。作为另一个示例，开槽切口670的宽度可以减小以降低在电极片被卷绕在圆柱形卷芯630上时无涂层箔层(例如，无涂层边缘部分640)的欧姆电阻。此外，开槽切口670的宽度可以小于无涂层边缘部分640的宽度，使得在部分940、944的固化和/或按压之后，包括开槽切口670的宽度的间隙空间1030可以形成在按压的部分940、944与极组结构的主体之间，如图10所示。

如图6B所示，包括开槽切口670的无涂层边缘部分640，可以在卷绕以形成极组结构时轴向地突出到圆柱形卷芯630之外。圆柱形卷芯630的轴向长度可以小于第一电极片和第二电极片的宽度，使得电极片的无涂层边缘部分640突出到圆柱形卷芯630的端部之外。通过这种方式，电极片的邻近开槽切口670的部分可以朝向圆柱形卷芯630变形和按压，以将第一电极片和第二电极片与极组结构的第一端部652和第二端部654处的导电芯插件电连接。此外，第一电极片和第二电极片的无涂层边缘部分可以突出到在第一端部652和第二端部654处的圆柱形卷芯的端部之外，以分别将第一电极片电连接到第一导电芯插件并且将第二电极片电连接到第二导电芯插件。通过这种方式，第一电极片可以电连接到电化学蓄电池的第一端子，第二电极片可以电连接到电化学蓄电池的第二端子。

现在转向图5A和图5B，其示出了在电极片510和隔片已经全部卷绕在圆柱形卷芯530上并且在无涂层边缘部分的邻近开槽切口的部分560已经被压向圆柱形卷芯530的表面上之后电化学蓄电池的极组结构500的端部侧视图和立体侧视图。图5A和图5B还示出了部分560的侧面562，所述部分560包括电极片的无涂层边缘部分的致密压缩层。圆柱形卷芯包括半径R1，极组结构具有卷绕电极片半径R2。因此，卷绕电极片和卷绕隔片在半径R1与半径R2之间形成极组结构中的层。层的任何部分的弧长度可以通过角距离、角频率(Ω)和半径R的乘积来计算。因此，在圆柱形芯的表面处的弧长度可以表示为ΩR1，在卷绕的极组结构500的表面处的弧长度可以表示为ΩR2。通过这种方式，开槽切口的长度和开槽切口之间的间隔可以根据圆柱形芯半径、电极片和隔片的厚度以及将卷绕的电极片和隔片的长度(或者卷绕的极组结构的最终半径)来预定。

现在转至图11，其示出了包括圆柱形卷芯1150和具有平坦面1112和平坦长圆形截面1130的导电芯插件1110的备选实施方式1100。通过这种方式，导电芯插件可以变形，使得焊接区是平坦的而不是弯曲的，从而简化箔芯焊接工具设计和焊接工艺。平坦的焊接表面对于超声振动焊接的情况会尤其有利。此外，在固化和按压部分940以将第一电极片和第二电极片电连接到导电芯插件时，平坦面1112可以增加压力以及增加电连接。导电芯插件1110的端部可以还包括唇部1120。图12示出了卷绕的极组结构1200，其包括具有平坦面1112的导电芯插件和圆柱形卷芯1150。如图12所示，唇部1120可以延伸并覆盖在所按压/固化的部分940的一部分的上方、对其提供机械保护并且还增加用于与电极片电连接的表面面积(例如，在焊接之后)。

装配并且焊接的极组结构1200可以被插入到圆柱形电池壳体中。可以通过在一个极端子处焊接到绝缘壳体端子并且在对端上焊接到壳体以连接第二极的端子来实现从芯插件到圆柱形电池壳体的电连接。备选地，在壳体封闭之前，极耳可以被焊接在芯插件和壳体端子之间。

通过这种方式，一种电化学蓄电池可以包括：围绕圆柱形芯卷绕以形成极组结构的第一电极片和第二电极片，所述第一电极片和第二电极片各自包括与所述极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；第一隔片和第二隔片，机械地和电性地隔离所述第一电极片和所述第二电极片的涂层相对表面并且机械地和电性地隔离圆柱形芯与第一电极片的涂层相对表面；以及从无涂层导电边缘形成的开槽切口，开槽切口在形成极组结构时相对于圆柱形芯在角度上联合定位。该电化学蓄电池可以还包括按压无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分，其中在角度上联合定位的部分彼此电连接，在角度上联合定位的部分邻近开槽切口。圆柱形芯可以包括成对的平坦相对侧，该成对的平坦相对侧形成平坦化的长圆形截面，被按压的在角度上联合定位的部分可以在平坦的相对侧处电连接到圆柱形芯。开槽切口的长度在形成极组结构时形成对应于小于180°角的弧长度，开槽切口的长度在形成极组结构时可以形成对应于大于2弧度的角度的弧长度。此外，开槽切口的长度端部可以包括圆化形状，开槽切口可以包括第一组开槽切口和第二组开槽切口，其中第一组开槽切口和第二组开槽切口相对于圆柱形芯在角度上成180°角。

该电化学电池可以还包括第一导电芯插件和第二导电芯插件，第一导电芯插件和第二导电芯插件插入到圆柱形芯的端部内，以形成电化学蓄电池的端子，第一导电芯插件电连接到第一电极的无涂层导电边缘的被按压的在角度上联合定位的部分，第二导电芯插件电连接第二电极的无涂层导电边缘的被按压的在角度上联合定位的部分。第一电极和第二电极的平行于圆柱形芯的轴的宽度可以大于第一隔片和第二隔片的平行于圆柱形芯的轴的宽度。涂层相对表面的宽度可以小于或者等于第一隔片和第二隔片的宽度，第二电极的涂层相对表面的宽度可以小于第一电极的涂层相对表面的宽度。

现在转至图13，其示出了用于电化学蓄电池的示例方法1300。方法1300始于在步骤1310形成电极片。形成电极片可以包括在步骤1312以特定宽度涂布金属片基板的两侧，在特定宽度的涂层部分之间留下无涂层部分。在步骤1314，方法1300可以干化和压延涂层片基板以固化和/或平面化和整平涂层基板。接下来，方法1300可以沿着涂层部分的交替边缘分切涂层片，由此形成电极。涂层的成分可以取决于电极的性质。例如，用于锂离子电化学蓄电池的阳极可以包括在后续涂层工艺中涂布在金属箔基板的两侧上的电活性锂嵌入材料或者金属锂涂层。作为另一示例，用于锂离子电化学蓄电池的阴极可以包括磷酸铁锂粉末、导电炭黑和聚合物粘合剂的混合物。方法1300也可以用于其他类型的电化学蓄电池，并且不限于锂离子电化学蓄电池。

继续在步骤1318，方法1300确定另一电极是否将被形成。如果另一电极将被形成，方法1300返回到步骤1312；否则方法1300继续在步骤1320，其中电极片被安装。在步骤1322，方法1300选择卷芯并且将卷芯安装在卷绕机上。作为示例，卷芯可以包括中空圆柱形卷芯，诸如具有圆形截面的圆柱形卷芯530。具有不同截面几何的其他卷芯也可以被采用。例如，具有平坦的长圆形截面1130的圆柱形卷芯可以被采用。卷芯的内部可以是钥式的，如图4A和图4B所示，以便于将卷芯安装在卷绕机的卷绕芯轴上并且便于卷芯的卷绕。

方法1300继续在步骤1324，其中第一隔片和第二隔片被贴至卷芯的外部曲面，卷芯旋转以在卷芯上将第一隔片和第二隔片卷绕至少一周。第一隔片和第二隔片的宽度边缘可以平行于圆柱形芯的中心轴，使得第一隔片和第二隔片的连续层被以均匀平行的方式围绕卷芯卷绕。此外，第一电极片可以位于使得卷绕层的无涂层边缘部分可以突出至超过卷芯的第一端部。

在步骤1326，第一电极片位于第一隔片和第二隔片的邻近卷芯的未卷绕端部之间，卷芯旋转以将第一电极片在卷芯上卷绕至少一周。第一电极片的宽度边缘可以位于平行于圆柱形芯的中心轴，使得第一电极片的连续层被以均匀平行的方式围绕卷芯卷绕。在步骤1328，第二电极片位于第二隔片的表面上，卷芯旋转以将第二电极片在卷芯上卷绕至少一周。通过这种方式，第一隔片和第二隔片电性地并且机械地隔离第一电极片和第二电极片的涂层宽度。第二电极片的宽度边缘可以位于平行于圆柱形芯的中心轴，使得第二电极片的连续层以均匀平行的方式围绕卷芯卷绕。此外，第二电极片可以位于使得卷绕层的无涂层边缘部分可以突出至超出卷芯的第二端部。

现在转至图14，方法1300继续在步骤1400，包括卷绕和固化电连接。在步骤1410，卷绕工艺被执行。作为示例，卷绕工艺1400可以在连续卷绕机上进行，并且可以通过计算机控制器执行。在步骤1412，卷芯旋转以连续卷绕电极片和隔片以形成电化学蓄电池的极组结构。在卷芯旋转的同时，可以从电极片的无涂层边缘部分切割开槽切口。如上所述，开槽切口的长度及其之间的间隔可以根据圆柱形芯半径、电极片和隔片的厚度以及将卷绕的电极片和隔片的长度(或者，卷绕的极组结构的最终半径)来预定。此外，开槽切口的长度可以基于卷绕芯轴角度，并且可以在将电极片卷绕在圆柱形卷芯630上时相应于覆盖等于或者大于2弧度(并且小于180度)的夹角的弧长度。此外，连续开槽切口670的长度中心线696可以间隔开，使得它们在卷绕在圆柱形卷芯630上时相对180°，并且形成极组结构中的开口636，该极组结构从电化学蓄电池的外表面径向地延伸至圆柱形卷芯630的外表面。

另外，角卷绕速度可以相应于切割开槽切口的速度，切割工艺通过逻辑控制的激光切割、高压水射流切割、机械模切或者通过其他通常已知的工业切割和/或者冲压工艺来执行。方法1400继续在步骤1416，其中确定最终的极组结构直径(例如，电化学蓄电池电极直径)是否已经达到。备选地，在步骤1416，方法1400可以确定卷绕的电极片的最终长度是否已经达到。如果没有，方法1400返回至步骤1412，其中卷芯的旋转继续。

如果在步骤1416，最终的极组结构直径已经达到，方法1400继续在步骤1418，其中卷芯的最终一次旋转完成以通过隔片之一封闭电化学蓄电池的外表面。在步骤1420，包括隔片的电化学蓄电池的外层被胶带固定，在步骤1426，卷芯连同卷绕的电化学蓄电池电极片被从卷绕机去除。

方法1400继续在步骤1430，其中电连接的固化被执行。在步骤1434，方法1400在卷芯的两个端部处插入导电芯插件，无涂层边缘部分的邻近开槽切口的部分被固化和朝向卷芯并且朝向导电芯插件的外表面按压。无涂层边缘部分的邻近开槽切口的部分包括相对于电化学蓄电池的轴中点无涂层边缘部分的邻近开槽切口的远端部分。例如，固化和按压形成电极片的固化和电连接层的部分560连同包括电极片的无涂层边缘部分的致密按压层的部分560的侧面562。在步骤1438，所述部分(例如，部分560)被焊接以将固化电极片电连接到导电芯插件的表面。

在固化电连接的步骤1430(例如，步骤1434、1438)之后，第一电极片和第二电极片的无涂层边缘部分可以在第一端部652和第二端部654处突出至超出圆柱形卷芯的端部，分别将第一电极片电连接到第一导电芯插件并且将第二电极片电连接到第二导电芯插件。通过这种方式，第一电极片可以电连接到电化学蓄电池的第一端子，第二电极片可以电连接到电化学蓄电池的第二端子。通过这种方式，导电芯插件形成电化学蓄电池的正端子和负端子。

装配和焊接的极组结构可以被插入到圆柱形电化学蓄电池壳体内。从芯插件到电池壳体的电连接可以通过在一个极端子处焊接到绝缘壳体端子并且在相对端焊接到壳体以连接第二极的端子来实现。备选的，在壳体封闭之前，极耳可以被焊接在芯插件与壳体端子之间。

通过这种方式，一种用于电化学蓄电池的方法包括：围绕圆柱形芯卷绕第一电极片和第二电极片以形成极组结构，所述第一电极片和所述第二电极片各自包括与所述极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；在第一电极片和第二电极片之间围绕圆柱形芯卷绕第一隔片和第二隔片，以机械地和电性地隔离第一电极片和第二电极片的涂层相对表面并且机械地和电性地隔离圆柱形芯与涂层相对表面；以及从第一电极片和第二电极片的无涂层导电边缘切割出槽以形成开槽切口，开槽切口在形成极组结构时相对于圆柱形芯在角度上联合定位。该方法可以还包括将极组结构的端面处无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分压向圆柱形芯以将无涂层导电边缘彼此电连接，无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分邻近所述开槽切口。该方法可以还包括将第一导电芯插件和第二导电芯插件插入到圆柱形芯的每个端部，并且将极组结构的端面处无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分压向圆柱形芯，以将第一电极片的无涂层导电边缘电连接到第一导电芯插件并且将第二电极片的无涂层导电边缘电连接到第二导电芯插件。该方法还可以包括将无涂层导电边缘的在角度上联合定位的受压部分焊接到所述圆柱形芯。第一电极片和第二电极片可以电连接到圆柱形芯而不将导电极耳焊接到第一电极片和第二电极片。

通过这种方式，一种用于圆柱形电化学电池的方法可以包括：形成第一电极和第二电极；在圆柱形芯上安装所述第一电极和所述第二电极；在所述圆柱形芯上卷绕所述第一电极和第二电极；以及固化所述第一电极和第二电极以将所述第一电极和第二电极电连接到电化学蓄电池的第一端子和第二端子。固化第一电极和第二电极可以在不将导电极耳焊接到第一电极和第二电极的情况下执行。

如在此描述的，在一个示例中，一种电化学蓄电池可以被提供，其包括：围绕圆柱形芯卷绕以形成极组结构的第一电极片和第二电极片，第一电极片和第二电极片各自包括与所述极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；第一隔片和第二隔片，机械地和电性地隔离所述第一电极片和所述第二电极片的涂层相对表面并且机械地和电性地隔离圆柱形芯与第一电极片的涂层相对表面；以及从所述无涂层导电边缘形成的开槽切口，所述开槽切口在形成所述极组结构时相对于圆柱形芯在角度上联合定位。该电化学蓄电池可以还包括按压无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分，其中被按压的在角度上联合定位的部分彼此电连接，被按压的在角度上联合定位的部分邻近开槽切口。附加地或者备选地，圆柱形芯可以包括成对的平坦相对侧，该成对的平坦相对侧形成平坦化的长圆形截面。被按压的在角度上联合定位的部分可以在平坦相对侧处电连接到圆柱形芯。开槽切口的长度在形成所述极组结构时可以形成对应于小于180°角的弧长度。开槽切口的长度在形成极组结构时可以形成对应于大于2弧度的角度的弧长度。此外，开槽切口的长度端部可以包括圆化形状，其中开槽切口可以包括第一组开槽切口和第二组开槽切口，其中第一组开槽切口和第二组开槽切口相对于圆柱形芯在角度上成180°角。

该电化学电池还可以包括第一导电芯插件和第二导电芯插件，第一导电芯插件和第二导电芯插件插入到圆柱形芯的端部内，以形成电化学蓄电池的端子，第一导电芯插件电连接到第一电极的无涂层导电边缘的被按压的在角度上联合定位的部分，第二导电芯插件电连接到第二电极的无涂层导电边缘的被按压的在角度上联合定位的部分。第一电极和第二电极的平行于圆柱形芯的轴的宽度可以大于第一隔片和第二隔片的平行于圆柱形芯的轴的宽度。涂层相对表面的宽度可以小于或者等于第一隔片和第二隔片的宽度。第二电极的涂层相对表面的宽度可以小于第一电极的涂层相对表面的宽度。

在另一示例中，一种用于电化学蓄电池的方法可以包括：围绕圆柱形芯卷绕第一电极片和第二电极片以形成极组结构，所述第一电极片和所述第二电极片各自包括与所述极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；在所述第一电极片和第二电极片之间围绕圆柱形芯卷绕第一隔片和第二隔片，以机械地和电性地隔离所述第一电极片和所述第二电极片的涂层相对表面并且机械地和电性地隔离圆柱形芯与涂层相对表面；以及从所述第一电极片和所述第二电极片的无涂层导电边缘切割出槽以形成开槽切口，所述开槽切口在形成所述极组结构时相对于圆柱形芯在角度上联合定位。

该方法可以还包括将极组结构的端面处无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分压向圆柱形芯以将无涂层导电边缘彼此电连接，无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分邻近开槽切口。附加地或者备选地，该方法可以还包括将第一导电芯插件和第二导电芯插件插入到圆柱形芯的每个端部，并且将所述极组结构的端面处无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分压向圆柱形芯，以将所述第一电极片的所述无涂层导电边缘电连接到所述第一导电芯插件并且将所述第二电极片的所述无涂层导电边缘电连接到所述第二导电芯插件。该方法还可以包括将所述无涂层导电边缘的在角度上联合定位的受压部分焊接到所述圆柱形芯。所述第一电极片和第二电极片可以电连接到圆柱形芯而不将导电极耳焊接到所述第一电极片和第二电极片。

在另一个示例中，一种用于圆柱形电化学电池的方法包括：形成第一电极和第二电极；在圆柱形芯上安装所述第一电极和第二电极；在圆柱形芯上卷绕所述第一电极和第二电极；以及固化所述第一电极和第二电极以将所述第一电极和第二电极电连接到电化学蓄电池的第一端子和第二端子。固化所述第一电极和第二电极可以在不将导电极耳焊接到第一和第二电极的情况下执行。

被公开的电化学蓄电池相比于常规电化学蓄电池提供了几个性能和制造优点。首先，通过在暴露的无涂层箔边缘部分切割槽并且通过在正交于电池中心轴的平面上卷绕的极组的内部直径处固化电极箔以将电极电连接到导电芯插件，避免了制备用于分离极耳焊接的电极，由此减少卷绕工艺和相关设备的成本。其次，因为分离极耳和用于电极片的绝缘带没有被采用，所以电池组件部件数量减少，进一步降低了成本。第三，电池电阻减小，从而提高了电化学蓄电池的效率。第四，相比于包括将切割的极耳焊接到电极片的常规制造，无涂层箔部分的宽度可以减小。第五，通过使高速自动组件具有与用于切割开槽切口的激光切割器的速度相应的卷绕速度，而不是在将切割的极耳焊接到电极片期间停止电极卷绕，减少了制造成本。第六，通过减少制造非常低阻抗电池所需的分离焊接点的数量，可以增加电池可靠性。

虽然在电化学蓄电池中使用的电极材料的连续例如辊对辊加工存在许多优点，但是本公开也适合批处理加工。此外，虽然描述了锂离子电化学蓄电池的示例，但是在此描述的电化学蓄电池、方法和系统也适用于其他类型的电化学蓄电池。

最后，将理解以上描述的物、系统和方法是本公开的实施方式，即非限制性示例，对其许多变化和扩展也被考虑。因此，本公开包括在此描述的物、系统和方法的所有新颖并且非显而易见的组合和子组合以及其任何和全部等效方案。

Claims (20)

1.一种用于电化学蓄电池的方法，包括：

围绕圆柱形芯卷绕第一电极片和第二电极片，以形成极组结构，

所述第一电极片和所述第二电极片各自包括与所述极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；

围绕所述圆柱形芯卷绕第一隔片和第二隔片，其中

所述第一隔片和所述第二隔片位于所述第一电极片与所述第二电极片之间，以机械地和电性地隔离所述第一电极片和所述第二电极片的所述涂层相对表面并且机械地和电性地隔离所述圆柱形芯与所述涂层相对表面；以及

从所述第一电极片和所述第二电极片的所述无涂层导电边缘切割出槽，以形成开槽切口，其中

所述开槽切口在形成所述极组结构时相对于所述圆柱形芯在角度上联合定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述极组结构的端面处将所述无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分压向所述圆柱形芯，以将所述无涂层导电边缘彼此电连接，

其中，所述无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分邻近所述开槽切口。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：

将第一导电芯插件和第二导电芯插件插入到所述圆柱形芯的每个端部。

4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述极组结构的端面处将所述无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分压向所述圆柱形芯，以将所述第一电极片的所述无涂层导电边缘电连接到所述第一导电芯插件并且将所述第二电极片的所述无涂层导电边缘电连接到所述第二导电芯插件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述无涂层导电边缘的在角度上联合定位的受压部分焊接到所述圆柱形芯。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一电极片和所述第二电极片电连接到所述圆柱形芯，而无需将导电极耳焊接到所述第一电极片和所述第二电极片。

7.一种电化学蓄电池，包括：

第一电极片和第二电极片；

圆柱形芯，所述第一电极片和所述第二电极片围绕所述圆柱形芯卷绕以形成极组结构，其中所述第一电极片和所述第二电极片各自包括与所述极组结构的端面平行的无涂层边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；

第一隔片和第二隔片，其中所述第一隔片和所述第二隔片机械地和电性地隔离所述第一电极片和所述第二电极片的所述涂层相对表面并且机械地和电性地隔离所述圆柱形芯与所述第一电极片的所述涂层相对表面；以及

从所述无涂层导电边缘形成的开槽切口，所述开槽切口在形成所述极组结构时相对于所述圆柱形芯在角度上联合定位。

8.根据权利要求7所述的电化学蓄电池，其特征在于，还包括按压所述无涂层导电边缘的在角度上联合定位的部分。

9.根据权利要求7或8所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述在角度上联合定位的部分彼此电连接。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述在角度上联合定位的部分邻近所述开槽切口。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述圆柱形芯包括成对的平坦相对侧，所述成对的平坦相对侧形成平坦化的长圆形截面。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述在角度上联合定位的部分在所述平坦相对侧处电连接到所述圆柱形芯。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述开槽切口的长度在形成所述极组结构时形成对应于小于180°角的弧长度。

14.根据权利要求7至13中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述开槽切口的长度端部包括圆化的形状。

15.根据权利要求7至14中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述开槽切口包括第一组开槽切口和第二组开槽切口，其中所述第一组开槽切口和所述第二组开槽切口相对于所述圆柱形芯在角度上成180°角。

16.根据权利要求7至15中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，还包括插入到所述圆柱形芯的端部内的第一导电芯插件和第二导电芯插件。

17.根据权利要求7至16中任一项所述的电化学蓄电池，其特征在于，所述涂层相对表面的宽度可以小于或者等于所述第一隔片和所述第二隔片的宽度。

18.一种用于电化学蓄电池的方法，包括：

围绕圆柱形芯卷绕第一电极片和第二电极片以形成极组结构，

所述第一电极片和所述第二电极片各自包括与所述极组结构的端面平行的无涂层导电边缘和在所述无涂层导电边缘之间的涂层相对表面；

围绕所述圆柱形芯卷绕第一隔片和第二隔片。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，

所述第一隔片和所述第二隔片位于所述第一电极片与所述第二电极片之间，以机械地和电性地隔离所述第一电极片和所述第二电极片的所述涂层相对表面并且机械地和电性地隔离所述圆柱形芯与所述涂层相对表面，

所述电池为锂离子电化学蓄电池的阳极。

20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括：

从所述第一电极片和所述第二电极片的所述无涂层导电边缘切割出槽以形成开槽切口，其中所述开槽切口在形成所述极组结构时相对于所述圆柱形芯在角度上联合定位。