CN108536991A - 一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺 - Google Patents

一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂电池生产技术领域，特别是一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺,包括以下步骤，（1）对影响电池厚度的因子进行DOE正交试验设计；（2）每因子取两水平，即低水平和高水平，取电池定容后厚度为响应变量，DOE设计试验方案；（3）根据正负极片宽度、极片与隔膜承受拉力强度、及卷绕最低张力限度条件，设计正负极片初始张力低水平和高水平数值，上下隔膜初始张力低水平和高水平数值；正负极片张力衰减级数低水平和高水平数值，上下隔膜张力衰减级低水平和高水平数值。采用上述工艺后，本发明的方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，一方面使电芯具有良好的松紧度，另一方面防止化成后电芯极片变形、褶皱，电池厚度不良。

Description

一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺
技术领域
本发明涉及锂电池生产技术领域，特别是一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺。
背景技术
方型动力锂离子电池电芯加工工艺多采用全自动卷绕工艺，相比叠片工艺，卷绕工艺生产效率更高，引入毛刺风险更小，且电芯包覆尺寸管控更精确，电池安全性能更高。卷绕过程中，张力是影响电芯及电池性能的关键因素。卷绕张力，包括正负极片及上下隔膜张力，影响卷绕电芯松紧度、电芯层间距，进而影响电芯内部应力释放，及化成后电芯极片形态、电池厚度。合适的张力设定，可使电芯松紧度最优，化成后电芯极片无变形、褶皱，电池厚度趋近中心值。而不合适的张力设定，张力过小，卷绕电芯较松散，电芯整形较果较差；张力过大，电芯卷绕较紧密，化成后极片厚度反弹与应力释放导致极片变形、褶皱，最终影响电池厚度，导致电池厚度不良。因此，需要优化卷绕张力，一方面使电芯具有良好的松紧度，另一方面防止化成后电芯极片变形、褶皱，电池厚度不良。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种使得电芯卷绕过程中松紧度良好的方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺。
为解决上述技术问题，本发明的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，包括以下步骤，
（1）对影响电池厚度的因子进行DOE正交试验设计；
（2）每因子取两水平，即低水平和高水平，取电池定容后厚度为响应变量，DOE设计试验方案；
（3）根据正负极片宽度、极片与隔膜承受拉力强度、及卷绕最低张力限度条件，设计正负极片初始张力低水平和高水平数值，上下隔膜初始张力低水平和高水平数值；正负极片张力衰减级数低水平和高水平数值，上下隔膜张力衰减级低水平和高水平数值。
进一步的，所述步骤（1）中影响电池厚度的因子包括一阶因子和二阶交互作用。
更进一步的，所述一阶因子包括正极片初始张力、上下隔膜初始张力、正极片张力衰减级数、上下隔膜张力衰减级数。
更进一步的，所述二级交互作用包括正极片初始张力*下隔膜初始张力、正极片初始张力*上隔膜张力衰减级数、正极片初始张力*下隔膜张力衰减级数、上隔膜初始张力*下隔膜张力衰减级数。
进一步的，所述步骤（3）中设计正负极片初始张力低水平为250g、高水平为480g，上下隔膜初始张力低水平为140g、高水平为300g；正负极片张力衰减级数低水平为-9g/r、高水平为-2g/r，上下隔膜张力衰减级低水平为-5g/r、高水平为-2g/r。
更进一步的，所述步骤（3）中设计正极初始张力优化为365g；正极张力衰减张数优化为-5.5g/r；上下隔膜初始张力优化为220g；上下隔膜张力衰减级数优化为-3.5g/r。
更进一步的，所述负极张力设定为与正极相同。
采用上述工艺后，本发明的方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，一方面使电芯具有良好的松紧度，另一方面防止化成后电芯极片变形、褶皱，电池厚度不良。
具体实施方式
本发明的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，包括以下步骤，
（1）对影响电池厚度的因子进行DOE正交试验设计；对正负极片、上下隔膜张力及相应的张力衰减级数共8个因子进行DOE试验设计（正交试验设计）。
（2）每因子取两水平，即低水平和高水平，取电池定容后厚度为响应变量，DOE设计试验方案；每因子取两水平，即低水平和高水平，取电池定容后厚度为响应变量，DOE设计共16组试验方案。
（3）根据正负极片宽度、极片与隔膜承受拉力强度、及卷绕最低张力限度条件，设计正负极片初始张力低水平和高水平数值，上下隔膜初始张力低水平和高水平数值；正负极片张力衰减级数低水平和高水平数值，上下隔膜张力衰减级低水平和高水平数值。根据正负极片宽度、极片与隔膜承受拉力强度、及卷绕最低张力限度等条件，设计正负极片初始张力低水平为250g、高水平为480g，上下隔膜初始张力低水平为140g、高水平为300g。正负极片张力衰减级数低水平为-9g/r、高水平为-2g/r，上下隔膜张力衰减级低水平为-5g/r、高水平为-2g/r。其中，张力衰减级数：卷绕过程中，张力随卷绕圈数的增加呈规律性递减，每圈张力的递减量为张力衰减级数，单位为g/r，数值为负值。
DOE试验结果表明：
1、影响电池厚度的因子：
一阶因子：正极片初始张力、上下隔膜初始张力、正极片张力衰减级数、上下隔膜张力衰减级数。
二阶交互作用：正极片初始张力*下隔膜初始张力、正极片初始张力*上隔膜张力衰减级数、正极片初始张力*下隔膜张力衰减级数、上隔膜初始张力*下隔膜张力衰减级数。
负极片初始张力及张力衰减级数为非显著性因子。
2、匹配目标（电芯厚度）的最优张力组合：
正极初始张力优化为：365g（原450g）；
正极张力衰减张数优化为：-5.5g/r（原-3.0g/r）；
上下隔膜初始张力优化为：220g（原250g）；
上下隔膜张力衰减级数优化为：-3.5g/r（原-4.0g/r）；
负极张力可设定与正极相同。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，其特征在于，包括以下步骤，
（1）对影响电池厚度的因子进行DOE正交试验设计；
（2）每因子取两水平，即低水平和高水平，取电池定容后厚度为响应变量，DOE设计试验方案；
（3）根据正负极片宽度、极片与隔膜承受拉力强度、及卷绕最低张力限度条件，设计正负极片初始张力低水平和高水平数值，上下隔膜初始张力低水平和高水平数值；正负极片张力衰减级数低水平和高水平数值，上下隔膜张力衰减级低水平和高水平数值。
2.按照权利要求1所述的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，其特征在于：所述步骤（1）中影响电池厚度的因子包括一阶因子和二阶交互作用。
3.按照权利要求2所述的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，其特征在于：所述一阶因子包括正极片初始张力、上下隔膜初始张力、正极片张力衰减级数、上下隔膜张力衰减级数。
4.按照权利要求2所述的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，其特征在于：所述二级交互作用包括正极片初始张力*下隔膜初始张力、正极片初始张力*上隔膜张力衰减级数、正极片初始张力*下隔膜张力衰减级数、上隔膜初始张力*下隔膜张力衰减级数。
5.按照权利要求1所述的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，其特征在于：所述步骤（3）中设计正负极片初始张力低水平为250g、高水平为480g，上下隔膜初始张力低水平为140g、高水平为300g；正负极片张力衰减级数低水平为-9g/r、高水平为-2g/r，上下隔膜张力衰减级低水平为-5g/r、高水平为-2g/r。
6.按照权利要求5所述的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，其特征在于：所述步骤（3）中设计正极初始张力优化为365g；正极张力衰减张数优化为-5.5g/r；上下隔膜初始张力优化为220g；上下隔膜张力衰减级数优化为-3.5g/r。
7.按照权利要求6所述的一种方型锂离子电池卷绕张力优化设计工艺，其特征在于：所述负极张力设定为与正极相同。
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