CN107394097B - 一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法，一，多极耳卷芯卷绕时，建立极耳定位的理想物理模型；二，根据步骤一中所建的理想物理模型，推导出每层极耳的统一数学表达形式；三，对物理模型进行实际条件的引入，在统一数学表达式中引入修正因子，对最后的数学表达式进行数值修正；四，以极耳的位置编号为自变量，将实际工况下的设计参数，设计参数包括极耳中心距、卷针宽度、纠偏因子、正负极片的厚度、隔离膜的厚度，代入最终的数学表达式，计算出每个极耳的精确位置。本发明可以精确地确定卷绕体每层极耳的位置，保证正极极耳和负极极耳各自的重合性，避免由于极耳位置确定的偏差。

Description

一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法

技术领域

本发明涉及一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法。

背景技术

自1990年Sony公司将锂离子电池首次推向商业市场以来，这类电池以高电压、高功率、长寿命和无污染等优点，迅速适应了微电子和环保的要求，席卷整个电池市场，成为智能手机、笔记本电脑等多种先进便携式电子产品的理想配备电源。随着电子设备的高速发展，高科技的电子设备对锂离子电池提出了越来越苛刻的性能要求；尤其是现在的航模航拍、汽车启停和电动汽车等市场的迅猛发展，对锂离子电池的倍率性能提出了更高的要求。然而，传统的单极耳设计严重约束了锂离子电池放电平台的发挥和提高，严重降低了电池的输出功率密度；同时，单极耳的设计电池内阻很大，大电流放电时，会产生大量的物理热和化学热，致使电池温度急剧上升，严重的会出现内部电解液溅出，甚至燃烧爆炸。故为了提高锂离子电池的高倍率放电特性和使用安全性，通常采用多极耳的结构设计。

现在聚合物锂离子电池多极耳电芯的设计中有两种电芯结构：叠片结构和卷绕式结构。叠片结构中，每个极片都是用相应的正极片刀模或负极片刀模冲切而来的；每片极片上都会冲有极耳。叠片的难点：1、对叠片设备的精度要求很高，正负极膜片层叠时不能出现错位；2、如果正负极发生错位，即负极膜区未能完全覆盖正极膜区，很难用普通的X-Ray检测技术进行预先检测和报警，无法做到有效风险管控。卷绕式结构中，电池的正负极膜片各只有一个极片，卷绕时正负极以隔离膜相隔后逐层围绕转芯旋转；每层的极耳都是在涂布时涂布宽度方向上预留的空白集流体冲切出来的。卷绕结构的特点：1、卷绕设备简单，技术成熟，很难出现负极膜区包不住正极膜区的错位现象；2、出现膜区错位，很容易用普通的X-Ray检测技术进行预先检测和报警，控制风险。多极耳卷绕结构的难点：卷绕体中，内层片段宽度较窄，外层片段的宽度相对较宽，内层和外层上极耳之间的距离是不断增大的，不是一个定值；为了确保卷绕体的每层正极极耳或每层负极极耳能重合，就要细致考虑由卷芯内部到外部每个层段上极耳冲切的精确位置。现有的做法是工程师按照自己的工作经验及制样过程中不断的手动调试来确定每层极耳的冲切位置：1、此法太依赖于工程师的经验和工程师对设备工序能力的理解；2、同时多极耳位置的精确确定需要不断的试错和调整，周期太长，降低生产效率和延长产品开发周期，达不到预先设计的目的；3、无法面对多种型号的多极耳电芯设计，工作量更大，耗时更长；4、无法保证精确度。多极耳卷绕结构中，极耳位置的精确定位至关重要，如果不能精确定位，极片卷绕时相邻层的极耳就会出现错位，随着卷绕的层数增加，这种位错就更严重，不但影响极耳中心距，甚至会出现极耳“围栏”现象，导致最终的卷绕体报废。

发明内容

本发明提供了一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法，它可以精确地确定卷绕体每层极耳的位置，保证正极极耳和负极极耳各自的重合性，避免由于极耳位置确定的偏差。

本发明采用了以下技术方案：一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤一，多极耳卷芯卷绕时，建立极耳定位的理想物理模型；

步骤二，根据步骤一中所建的理想物理模型，推导出每层极耳的统一数学表达形式；

步骤三，对物理模型进行实际条件的引入，在统一数学表达式中引入修正因子，对最后的数学表达式进行数值修正；

步骤四，以极耳的位置编号为自变量，将实际工况下的设计参数，设计参数包括极耳中心距、卷针宽度、纠偏因子、正负极片的厚度、隔离膜的厚度，代入最终的数学表达式，计算出每个极耳的精确位置。

步骤一中的理想物理模型设为跑道模型，所述的跑道模型假设最终的电芯卷绕体由内而外每层是标准的跑道形状，即中间部位是两条等长平行线并且不会随着层数的增加而改变，两头是标准的半圆，但是半圆的周长会随着半径的周期增加而周期性的变大，每层厚度的变化都是一个正极片的厚度T_cathode加上一个负极片的厚度T_anode，再加上两层隔离膜的厚度为2*T_sep；那么，由于厚度的周期变化，导致相邻层间半圆周长的变化量Δ=∏*（2*T_sep+T_cathode+T_anode），为了进一步说明问题，以负极极耳的位置确定作为研究对象，正极极耳的位置方程可以按照相同的思路进行推导而得，首先对有关负极极耳给出如下假设和界定：A、将负极片头部位置定义为0mm，即参考位置，后续确定极耳的位置坐标，都是以参考位置为基准得出具体数值；B、在卷绕体中，定义负极第一个极耳位置为L1，离极片头部的位置距离我们取值L₀，即L₁=L₀，L₀是可以灵活变动的；C、由于内层很薄，我们就将其看成一条线段；D、实际卷绕，都是利用一定卷针宽度W_roll的卷针进行卷绕的，不同的卷针是有厚度和斜度的，故内层的线段的长度与实际卷针的宽度之间是有个差值，我们定义为T_roll,则内层线段的长度为W_roll+T_roll；E、假设正极极耳中心对称，且极耳宽度W_tab相同，那么极耳中心距为D_tab，这个假设只是为了方便计算引入的，对于偏心结构，只需看成虚拟假设，同样适用；F、负极第二个极耳的位置为L₂，L₂-L₁= W_roll+T_roll+D_tab=L；G、负极第三个极耳的位置为L₃，L₃-L₂= W_roll+T_roll- D_tab=S。

步骤二中每层极耳的统一数学表达形式推导过程为：由于相邻极耳位置的特殊性，对奇数和偶数编号的负极耳进行分类推导：1、如果L_n中的n为偶数，则

；2、如果L_n中的n为奇数，则

，将不同形式的奇数表达式和偶数表达式统一化，写成一个方程形式，便于后续工程上的批量数据处理和设计表格链接的建立，最后统一的极耳位置理想方程为：

，

其中n的取值为所求位置极耳的编号；比如，当n=1时，L₁=L₀；n=2时，L₂=L₀+L。

所述的步骤三中引入修正因子，对最后的数学表达式进行数值修正的过程为：通过卷针卷出来的裸电芯体，这种变化越靠近外层越明显；同时，在实际入铝塑壳时，裸电芯实际是被“压实”入壳的，每层的中间线段长度和半圆半径都会发生规律性的变化，我们假设中间线段的长度不会改变，通过对半圆周长的修正达到与实际一致的效果，通过微积分的方法，找到了变化的规律，引入一个半圆周长修正因子，即

，其中n为所求位置极耳的编号，

为校正系数；通过修正，实际极耳位置方程为：

，基于实际数据的积累，对最后的方程进行数值修正，

数值修正后的最终多极耳位置的物理方程如下：

其中

为数值修正的系数，可以根据实际的工序能力进行调整；

最后，所有引入的系数的值域范围，根据实际的过程能力确定具体的值：当n<10，α为0.6-0.7，β为0.8-1.0；n>10，α为0.6-0.7，β为1.0-1.2。

本发明具有以下有益效果：采用了以上技术方案后，本发明可精确确定卷绕体每层极耳的位置，保证极片在卷绕成型后，正极极耳和负极极耳各自重合的很好，从而保证后续的极耳焊接并符合规格的极耳中心距，避免了由于极耳位置确定的偏差，导致多个极耳位错，甚至形成“围栏”，无法焊接。本发明精简和优化了现有技术，降低了现有技术对工程师经验的依赖和制样试卷绕的长周期开发时间，极大的提高了研发效率。

附图说明

图1位本发明极耳定位的理想物理模型的示意图。

具体实施方式

在图1中，本发明一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法，它包括以下步骤：

步骤一，多极耳卷芯卷绕时，建立极耳定位的理想物理模型；

步骤二，根据步骤一中所建的理想物理模型，推导出每层极耳的统一数学表达形式；

步骤三，对物理模型进行实际条件的引入，在统一数学表达式中引入修正因子，对最后的数学表达式进行数值修正；

步骤四，以极耳的位置编号为自变量，将实际工况下的设计参数，设计参数包括极耳中心距、卷针宽度、纠偏因子、正负极片的厚度、隔离膜的厚度，代入最终的数学表达式，计算出每个极耳的精确位置，在步骤一中的理想物理模型设为跑道模型，所述的跑道模型假设最终的电芯卷绕体由内而外每层是标准的跑道形状，即中间部位是两条等长平行线并且不会随着层数的增加而改变，两头是标准的半圆，但是半圆的周长会随着半径的周期增加而周期性的变大，每层厚度的变化都是一个正极片的厚度T_cathode加上一个负极片的厚度T_anode，再加上两层隔离膜的厚度为2*T_sep；那么，由于厚度的周期变化，导致相邻层间半圆周长的变化量Δ=∏*（2*T_sep+T_cathode+T_anode），为了进一步说明问题，以负极极耳的位置确定作为研究对象，正极极耳的位置方程可以按照相同的思路进行推导而得，首先对有关负极极耳给出如下假设和界定：A、将负极片头部位置定义为0mm，即参考位置，后续确定极耳的位置坐标，都是以参考位置为基准得出具体数值；B、在卷绕体中，定义负极第一个极耳位置为L1，离极片头部的位置距离我们取值L₀，即L₁=L₀，L₀是可以灵活变动的；C、由于内层很薄，我们就将其看成一条线段；D、实际卷绕，都是利用一定卷针宽度W_roll的卷针进行卷绕的，不同的卷针是有厚度和斜度的，故内层的线段的长度与实际卷针的宽度之间是有个差值，我们定义为T_roll,则内层线段的长度为W_roll+T_roll；E、假设正极极耳中心对称，且极耳宽度W_tab相同，那么极耳中心距为D_tab，这个假设只是为了方便计算引入的，对于偏心结构，只需看成虚拟假设，同样适用；F、负极第二个极耳的位置为L₂，L₂-L₁= W_roll+T_roll+D_tab=L；G、负极第三个极耳的位置为L₃，L₃-L₂= W_roll+T_roll- D_tab=S。

在步骤二中每层极耳的统一数学表达形式推导过程为：由于相邻极耳位置的特殊性，对奇数和偶数编号的负极耳进行分类推导：1、如果L_n中的n为偶数，则

；2、如果L_n中的n为奇数，则

，将不同形式的奇数表达式和偶数表达式统一化，写成一个方程形式，便于后续工程上的批量数据处理和设计表格链接的建立，最后统一的极耳位置理想方程为：

，

其中n的取值为所求位置极耳的编号；比如，当n=1时，L₁=L₀；n=2时，L₂=L₀+L。

在步骤三中引入修正因子，对最后的数学表达式进行数值修正的过程为：通过卷针卷出来的裸电芯体，这种变化越靠近外层越明显；同时，在实际入铝塑壳时，裸电芯实际是被“压实”入壳的，每层的中间线段长度和半圆半径都会发生规律性的变化，我们假设中间线段的长度不会改变，通过对半圆周长的修正达到与实际一致的效果，通过微积分的方法，找到了变化的规律，引入一个半圆周长修正因子，即

，其中n为所求位置极耳的编号，

为校正系数；通过修正，实际极耳位置方程为：

，基于实际数据的积累，对最后的方程进行数值修正，

数值修正后的最终多极耳位置的物理方程如下：

其中

为数值修正的系数，可以根据实际的工序能力进行调整；

最后，所有引入的系数的值域范围，根据实际的过程能力确定具体的值：当n<10，α为0.6-0.7，β为0.8-1.0；n>10，α为0.6-0.7，β为1.0-1.2。

将以上定位方法应用于锂离子电芯多极耳卷绕体的制造方法，所述电芯卷绕体由正负极片与隔离膜卷绕而成，所述正负极片的制造方法包括如下步骤：1、将活性浆料均匀涂布在正极铝或负极铜集流体上，并在涂布方向的垂直方向预留有适当宽度的未涂布的空箔区域；2、根据数学表达式计算出来的每个极耳的位置，利用刀模在预留的空箔区域冲切出相应的极耳，制成多极耳极片；3、将极片以隔离膜、负极极片、隔离膜和正极极片的放置顺序，围绕设定好卷针宽度的卷针进行卷绕，制成正极极耳重合和负极极耳重合的每层出极耳的卷绕体电芯，本发明还提供了由上述卷绕体电芯制造的锂离子电池。多极耳这一结构设计广泛用于圆柱形锂离子动力电池，随着动力启动电源，无人机航模航拍等高倍率电芯市场的兴起，高倍率聚合物锂离子电芯也更多的采用多极耳结构设计。本发明在多极耳卷绕型锂离子电池极片的制作中，给出了精确确定各极耳的位置的方法；还提出了一种锂离子电芯多极耳卷绕体的制造方法；提供了一种高倍率聚合物卷绕型锂离子电芯。多极耳卷绕体电芯由包括隔离膜、负极极片及正极极片的电芯叠成卷绕而成。电芯叠层的叠放顺序依次是隔离膜-负极极片-隔离膜-正极极片，负极片包括通过物理方程精确定位后用刀模模切预留空白铜箔得到的每层极耳及涂敷于铜箔片上的电极活性物质，模切前的负极极片的制作方式是将负极活性浆料均匀涂布在负极铜集流体上，并在涂布方向的垂直方向预留有适当宽度的未涂布的空白铜箔区域，铜箔片留有一侧未涂敷电极活性物质的空白铜箔区通过后续模切出多个极耳作为负极集流体；正极片包括通过物理方程精确定位后用刀模模切预留空白铝箔得到的每层极耳及涂敷于铝箔片上的电极活性物质，模切前的正极极片的制作方式是将正极活性浆料均匀涂布在正极铝集流体上，并在涂布方向的垂直方向预留有适当宽度的未涂布的空白铝箔区域，铝箔片留有一侧未涂敷电极活性物质的空白铝箔区通过后续模切出多个极耳作为正极极集流体；为了最大化的利用空间，即在一定的空间装有尽量多的能量，我们将正极极片和负极极片头部不留任何空白箔区，只在正极尾部留有计算好的空白铝箔区域，以便利用正极铝箔进行卷绕收尾。卷绕方式，以负极包正极的方式，正极极片的第一层放置于负极极片的第二层的位置，然后进行围绕卷针进行卷绕。负极涂覆区域包覆正极涂覆为原则，负极的涂覆区域长度取决于正极的涂覆区域的长度，正极的涂覆长度可以依据设计的容量、极片面密度和压密进行预先计算，然后根据下列的计算公式进行A面和B面的分摊：

下面我们引入l_n，即n层的极片的长度，算法可以如下：l_n=L_n+1-L_n-1；

正极涂覆A面长度

;

正极涂覆B面长度

;

正极涂覆区域总长度

。

相应的负极极片双面长度相等，都为

，其中

为负极过量正极的余量，我们称为安全余量；其中，正极铝箔的长度总长为

。

由上述卷绕体电芯制造的锂离子电池。

将制备好的多极耳卷绕体电芯的多个极耳，如正极铝极耳和负极铜极耳，进行焊接，然后分别引出镍极耳和铜镀镍极耳；然后，将其装入冲好的铝塑膜中，分别进行顶側封、注电解液、一封、静置、化成、二封、分容等。

Claims (1)

1.一种多极耳卷绕型锂离子电池极耳位置精确定位的方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤一，多极耳卷芯卷绕时，建立极耳定位的理想物理模型，步骤一中的理想物理模型设为跑道模型，所述的跑道模型假设最终的电芯卷绕体由内而外每层是标准的跑道形状，即中间部位是两条等长平行线并且不会随着层数的增加而改变，两头是标准的半圆，但是半圆的周长会随着半径的周期增加而周期性的变大，每层厚度的变化都是一个正极片的厚度T_cathode加上一个负极片的厚度T_anode，再加上两层隔离膜的厚度为2*T_sep；那么，由于厚度的周期变化，导致相邻层间半圆周长的变化量Δ=∏*（2*T_sep+T_cathode+T_anode），以负极极耳的位置确定作为研究对象，正极极耳的位置方程按照相同的思路进行推导而得，首先对有关负极极耳给出如下假设和界定：A、将负极片头部位置定义为0mm，即参考位置，后续确定极耳的位置坐标，都是以参考位置为基准得出具体数值；B、在卷绕体中，定义负极第一个极耳位置为L1，离极片头部的位置距离取值L₀，即L₁=L₀，L₀是灵活变动的；C、由于内层很薄，将其假设成一条线段；D、实际卷绕，都是利用一定卷针宽度W_roll的卷针进行卷绕的，不同的卷针是有厚度和斜度的，故内层的线段的长度与实际卷针的宽度之间是有个差值，定义为T_roll,则内层线段的长度为W_roll+T_roll；E、假设正极极耳和负极极耳中心对称，且极耳宽度W_tab相同，那么极耳中心距为D_tab，对于偏心结构，只需看成虚拟假设，同样适用；F、负极第二个极耳的位置为L₂，L₂-L₁= W_roll+T_roll+D_tab=L；G、负极第三个极耳的位置为L₃，L₃-L₂= W_roll+T_roll-D_tab=S，D_tab是虚拟的极耳中心距；

步骤二，根据步骤一中所建的理想物理模型，推导出每层极耳的统一数学表达形式，步骤二中每层极耳的统一数学表达形式推导过程为：由于相邻极耳位置的特殊性，对奇数和偶数编号的负极耳进行分类推导：1、如果L_n中的n为偶数，则

；2、如果L_n中的n为奇数，则

，将不同形式的奇数表达式和偶数表达式统一化，写成一个方程形式，便于后续工程上的批量数据处理和设计表格链接的建立，最后统一的极耳位置理想方程为：

，

其中n的取值为所求位置极耳的编号；当n=1时，L₁=L₀；n=2时，L₂=L₀+L；

步骤三，对物理模型进行实际条件的引入，在统一数学表达式中引入修正因子，对最后的数学表达式进行数值修正，步骤三中引入修正因子，对最后的数学表达式进行数值修正的过程为：通过卷针卷出来的裸电芯体，这种变化越靠近外层越明显；同时，在实际入铝塑壳时，裸电芯实际是被“压实”入壳的，每层的中间线段长度和半圆半径都会发生规律性的变化，假设中间线段的长度不会改变，通过对半圆周长的修正达到与实际一致的效果，通过微积分的方法，找到了变化的规律，引入一个半圆周长修正因子，即

，其中n为所求位置极耳的编号，

为校正系数；通过修正，实际极耳位置方程为：

，

基于实际数据的积累，对最后的方程进行数值修正，

数值修正后的最终多极耳位置的物理方程如下：

其中

为数值修正的系数，根据实际的工序能力进行调整；

最后，所有引入的系数的值域范围，根据实际的过程能力确定具体的值：当n<10，α为0.6-0.7，β为0.8-1.0；n>10，α为0.6-0.7，β为1.0-1.2；

步骤四，以极耳的位置编号为自变量，将实际工况下的设计参数，设计参数包括极耳中心距、卷针宽度、纠偏因子、正负极片的厚度、隔离膜的厚度，代入最终的数学表达式，计算出每个极耳的精确位置。

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