CN109417156B - 使用间隙控制夹具将电解质注入袋型二次电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种将电解质注入袋型二次电池的方法，包括以下步骤：将电极组件插置在形成袋壳体的第一金属层压膜与第二金属层压膜之间，并且在其中留下电解质入口的情况下密封每个膜的边缘，从而提供袋型二次电池；将袋型二次电池在电解质入口面对上方的情况下安装在第一夹具与第二夹具之间，第一夹具和第二夹具安装在夹具架中以具有可控间隔并形成间隙空间，并且通过电解质入口注入电解质；将夹具架装载到真空腔室中；通过移动第一夹具和第二夹具来增加间隙空间的宽度，使得电解质占据的区域被限制在袋壳体的下部，然后形成真空环境；和在保持真空环境的同时移动第一夹具和第二夹具，使得间隙空间的宽度逐渐减小，并且电解质的液面逐渐升高到高于电极组件的顶部的位置。

Description

使用间隙控制夹具将电解质注入袋型二次电池的方法
技术领域
本公开内容涉及一种将电解质注入袋型二次电池的方法。更具体地说，本公开内容涉及一种在将电解质注入袋型二次电池时控制液面的高度来减少液体注入步骤的节拍时间(Tack Time)并提高生产率的注入电解质的方法。
本申请要求于2016年12月15日在韩国提交的韩国专利申请第10-2016-0171928号和于2017年12月8日在韩国提交的韩国专利申请第10-2017-0168534号的优先权，通过引用将上述专利申请的公开内容并入本文。
背景技术
随着技术发展和对移动设备的需求增加，对作为这种移动设备的能源的电池的需求日益增加。因此，对于能够满足各种需求的电池已经进行了许多研究。
就电池的形状而言，对具有较小厚度并且可应用于诸如移动电话之类的产品的棱柱形二次电池和袋型二次电池具有较高需求。
就材料而言，对具有高的能量密度、放电电压和输出稳定性的锂二次电池，诸如锂离子电池和锂离子聚合物电池具有较高需求。
近来，因为制造成本低、重量轻且易于变形，具有堆叠型或堆叠/折叠电极组件被容纳在包括金属(Al)层压膜的袋壳体中的结构的袋型二次电池作为锂二次电池已经受到很多关注并且其应用已逐渐增多。
如本领域众所周知的，袋型二次电池是通过以下工序制造的。首先，将电极板和多孔绝缘隔膜堆叠以形成电极组件。隔膜插置在正极板与负极板之间。
正极板和负极板中的每一个涂覆有活性材料。正极活性材料和负极活性材料的典型示例分别包括锂金属氧化物和石墨(graphite)。
每个电极板具有突出且延伸的电极接片，电极接片连接至电极引线。电极引线连接的电极组件放置在两片金属层压膜之间。在此，这样的两片金属层压膜形成袋壳体。在其中留下电解质入口的情况下将金属层压膜的边缘密封。然后，经由电解质入口注入电解质，并密封电解质入口，使得电极组件可被密封在袋壳体中。
注入电解质的常规工序包括：将电解质注入袋壳体的预处理，和将已被注入了电解质的袋壳体装载到真空腔室并去除电极组件中存在的气体的后处理。
在此，当将电解质注入袋壳体时，气体源自残留在袋壳体的内部空间和存在于电极组件中的微小间隙中的空气。
在后处理中，需要高真空度来有效地去除气体。然而，当从初始阶段设置高真空度时，在气体被快速排出的同时，电解质可能会经由电解质入口喷出到外部。
这种电解质的喷出污染了袋壳体的表面。因此，当进行后处理时，真空腔室的真空度通过多个阶段增加。由此，处理的节拍时间(TACK TIME)增加。
另外，当单独使用后处理时，在快速去除袋壳体中的气体方面存在限制。因此，在注入电解质之前，使用包括在真空环境下初步去除袋壳体中的气体的预真空后注入工序。
然而，预真空后注入工序需要在注入电解质之前形成真空环境的时间，因此仍然导致工序的节拍时间(TACK TIME)增加。此外，当在真空环境下将电解质注入袋壳体时，还存在电解质蒸发的问题。另外，由于真空腔室和减压装置被进一步添加到用于注入电解质的系统中，因此不可避免地要显著改变液体注入系统。
发明内容
技术问题
设计本公开内容以解决相关技术的问题，因此本公开内容旨在提供一种注入电解质的方法，其减少将电解质注入袋型二次电池的工序的节拍时间，并且允许容易地从袋壳体内部去除气体。
技术方案
在本公开内容的一个方面中，提供一种将电解质注入袋型二次电池的方法，包括以下步骤：步骤1)将电极组件插置在形成袋壳体的第一金属层压膜与第二金属层压膜之间，并且在其中留下电解质入口的情况下密封每个膜的边缘，从而提供袋型二次电池；步骤2)将袋型二次电池在电解质入口面对上方的情况下安装在第一夹具与第二夹具之间，第一夹具和第二夹具安装在夹具架中以具有可控间隔并形成间隙空间，并且通过电解质入口注入电解质；步骤3)将夹具架装载到真空腔室中；步骤4)通过移动第一夹具和第二夹具来增加间隙空间的宽度，使得电解质占据的区域可被限定在袋壳体的下部，然后形成真空环境；和步骤5)在保持真空环境的同时移动第一夹具和第二夹具，使得间隙空间的宽度可逐渐减小，并且电解质的液面可逐渐升高到高于电极组件的顶部的位置。
优选地，在步骤4)中，基于电极组件的高度h，电解质的液面可位于对应于1/2h或更低的位置处。
根据本公开内容的注入电解质的方法可进一步包括密封电解质入口的步骤。
优选地，在步骤4)和步骤5)中，相同的真空度可被施加至真空环境。
优选地，在步骤4)和步骤5)中，真空环境的真空度可以是-93kPa或更小。
根据一个实施方式，在步骤4)中，增加第一夹具和第二夹具的间隔，使得第一夹具和第二夹具实质上不会对袋壳体的外周表面加压。
根据另一实施方式，在步骤5)中，间隙空间的宽度以相同的速率逐渐减小。
根据又一实施方式，在步骤5)中，间隙空间的宽度逐渐减小，其中减小速率随时间逐渐增加。
可选地，根据本公开内容，在步骤4)中，可在将鼓风机插入电解质入口并朝向袋壳体内部喷射气体的同时，增加间隙空间的宽度。
在这种情况下，鼓风机优选地朝向袋壳体的侧壁喷射气体。此外，在步骤4)中，优选地在通过使用鼓风机喷射气体之后形成真空环境。
有益效果
根据本公开内容，可容易地从袋壳体内部去除气体，同时在将电解质注入袋型二次电池的工序中不会引起节拍时间的延迟。还可通过减少节拍时间来提高注入电解质的工序的生产率。
附图说明
附图图解了本公开内容的优选实施方式，并与前述公开内容一起用于提供对本公开内容的技术特征的进一步理解，因此，本公开内容不应被解释为限于附图。
图1是图解通过在其中留下电解质入口的情况下用第一层压膜和第二层压膜封装电极组件来制造袋型二次电池的工序的流程图。
图2是示意性地图解在如图1中所示的袋型二次电池中沿I-I’线截取的剖面的剖面图。
图3是图解在袋型二次电池位于间隙控制夹具的间隙空间中之后，将电解质注入袋壳体的工序的示意图。
图4是图解包括将注入电解质的袋型二次电池装载到真空腔室中、增加间隙空间以使电解质的液面最大程度地降低、以及在保持高真空度的同时执行去除气体的步骤的工序的示意图。
图5是图解通过在保持真空度的同时逐渐减小间隙空间来逐渐升高液面的工序的示意图。
图6是图解减小间隙空间，使得电解质的液面可被最大程度地升高至电极组件的顶部或更高的工序的示意图。
图7是图解在完成去除气体的步骤之后，密封电解质入口的工序的示意图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的优选实施方式。在描述之前，应当理解的是，本说明书及所附权利要求书中使用的术语不应解释为受限于一般意义和字典意义，而是应在允许发明人对最佳解释适当地定义术语的原则的基础上，根据与本公开内容的技术方面对应的意义和概念来解释。因此，本文中给出的描述仅仅是为了说明目的的优选示例，并非旨在限制本公开内容的范围，所以应当理解，在不背离本公开内容的范围的情况下可对其做出其他等同和修改。
图1至图7是图解根据本公开内容的实施方式的用于将电解质注入袋型二次电池的方法的示意图。
首先，如图1中所示，电极组件30位于第一金属层压膜10和第二金属层压膜20之间。
第一金属层压膜10和第二金属层压膜20形成袋壳体P。第一金属层压膜10和第二金属层压膜20中的每一个具有其中薄金属膜(例如，Al膜)层压在防水聚合物膜(尼龙)和热粘合聚合物膜(流延聚丙烯，Casted Polypropylene)之间的结构。
第一和第二金属层压膜中的每一个的结构和成分在本领域中是公知的，因此本文将省略其详细描述。
电极组件30包括其中电极板和隔膜交替堆叠的结构。电极组件30包括多个单元电池，该单元电池包括正极板/隔膜/负极板。
每个电极板具有突出的电极接片31、32。电极接片与电极引线33、34集成并连接。在电极接片31、32和电极引线33、34中，一个具有正极性，另一个具有负极性。电极接片31、32与电极引线33、34彼此连接，使得一个的极性可对应于另一个的极性。该连接通过超声波焊接而实现。
电极引线33、34在其中部处被密封带35包围。密封带35插置在电极引线33、34与第一和第二金属层压膜10、20之间，以提高密封性。
第一金属层压膜10和第二金属层压膜20中的每一个的边缘在其中留下电解质入口A的情况下通过热密封工艺进行密封。在图1中，阴影区域S示出进行密封的区域。在密封之后，第一金属层压膜10和第二金属层压膜20形成袋壳体P。在密封工艺过程中，除了电极引线33、34的末端之外，电极组件30的其余部分被第一金属层压膜10和第二金属层压膜20包围。注入电解质之前的袋型二次电池的形状在图1的下部处示出。
图2是沿图1的I-I’线截取的剖面的剖面图。参照图2，因为电解质入口A不是密封的，所以电解质入口A是朝向外部空气开放的。
图3至图7是图解在将电解质通过电解质入口A注入袋壳体P之后，在真空腔室中去除气体并密封电解质入口的工序的示意图。
参照图3，袋型二次电池B放置在具有能够控制间隙间隔的第一夹具41和第二夹具42的间隙控制夹具40的间隙空间G中。袋型二次电池B放置成电解质入口A面对上方。间隙空间G形成于第一夹具41和第二夹具42之间，并且可通过线性移动第一夹具41和第二夹具42来控制间隙空间G的宽度。第一夹具41和第二夹具42可由包括诸如不锈钢之类的金属的材料制成。
第一夹具41和第二夹具42安装在夹具架43上，使得它们从一侧移动到另一侧。间隙空间G的宽度可通过第一夹具41和第二夹具42的移动而改变。为此，夹具架43可设置有驱动机构D，驱动机构D可使第一夹具41和第二夹具42从一侧移动到另一侧。
已知的线性移动机构可用作驱动机构D。例如，驱动机构D可包括：移动块51，第一夹具41和第二夹具42的底部耦接至移动块51；导轨52，导轨52配置成容纳移动块51并引导线性水平移动；和线性电机M，线性电机M耦接至移动块51以提供线性驱动力。
支撑构件50设置在间隙空间G的底部中，袋型二次电池B的底部与支撑构件彼此接触地安装到支撑构件。支撑构件50面对袋型二次电池B的部分具有与袋型二次电池B的接触表面的形状对应的形状。袋型二次电池B被容纳在支撑构件50的顶表面中并被支撑构件50的顶表面支撑。支撑构件50包括金属材料或塑料材料。
如图3中所示，在袋型二次电池被支撑构件50容纳之后，使第一夹具41和第二夹具42与袋型二次电池B的外周表面紧密接触。然后，通过电解质入口A注入电解质60。电解质60包括电解质和有机溶剂，并且根据袋型二次电池B的规格预先确定注入量。
电解质60随袋型二次电池B的类型而变化。当袋型二次电池B是锂二次电池时，电解质可以是具有A+B-结构的盐。在此，A+包括碱金属阳离子，诸如Li+、Na+、K+或它们的组合。
此外，B-包括从F－、Cl－、Br－、I－、NO3 －、N(CN)2 －、BF4 －、ClO4 －、AlO4 －、AlCl4 －、PF6 －、SbF6 －、AsF6 －、BF2C2O4 －、BC4O8 －、(CF3)2PF4 －、(CF3)3PF3 －、(CF3)4PF2 －、(CF3)5PF－、(CF3)6P－、CF3SO3 －、C4F9SO3 －、CF3CF2SO3 －、(CF3SO2)2N－、(FSO2)2N－、CF3CF2(CF3)2CO－、(CF3SO2)2CH－、(SF5)3C－、(CF3SO2)3C－、CF3(CF2)7SO3 －、CF3CO2 －、CH3CO2 －、SCN－和(CF3CF2SO2)2N－构成的组选择的至少一种阴离子。
有机溶剂的非限制性示例可包括碳酸丙烯酯(propylene carbonate，PC)、碳酸乙烯酯(ethylenecarbonate，EC)、碳酸二乙酯(diethyl carbonate，DEC)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate，DMC)、碳酸二丙酯(dipropyl carbonate，DPC)、二甲亚砜(dimethylsulfoxide)、乙腈(acetonitrile)、二甲氧基乙烷(dimethoxyethane)、二乙氧基乙烷(diethoxyethane)、四氢呋喃(tetrahydrofuran)、N-甲基-2-吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)、碳酸甲乙酯(ethyl methyl carbonate，EMC)、γ-丁内酯(γ-butyrolactone)或它们的组合。
在完成电解质60的注入之后，夹具架43被传输到真空腔室70内部，如图4所示。然后，移动第一夹具41和第二夹具42，以增加间隙空间G的宽度。当间隙空间G增加时，由于电解质60在重力作用下朝向袋壳体P的下部移动，因此电解质60的液面降低。换句话说，具有电解质60的区域被限定在袋壳体P的下部。此外，由于电解质60朝向下部移动，因此袋壳体P的下部也变形为略微膨胀的形状。间隙空间G的增量是预先确定的，使得电解质60朝向下部的移动可不会被中断。例如，间隙空间G增加到间隙空间不与袋壳体P的外周表面接触的程度。在另一示例中，间隙空间G以这样的方式增加，即即使第一夹具41和第二夹具42与袋壳体P接触，也实质上不施加压力。间隙空间G的这种增量是通过使驱动机构D引起第一夹具41和第二夹具42的线性运动来实现的。
基于电极组件30中的初始注入高度h，电解质60的液面优选地降低到2/3h或更低，更优选地降低到1/2h或更低。在此，基于电极组件30所在的区域来控制液面的位置。在液面为1/2h时，液面位于电极组件30的中部。最大程度地降低电解质60的液面以更有效地去除电极组件30中存在的气体。
另外，为了快速降低电解质60的液面，在第一夹具41和第二夹具42彼此分隔开以增加间隙空间G的同时，可将鼓风机(blower)80插入电解质入口80并且可将惰性气体(Ar)或氮气(N2)吹入袋壳体P中。优选地，鼓风机80具有Y形喷嘴结构，并朝向袋壳体P的侧壁喷射气体。在此，喷射气体的量可逐渐增加，以防止电解质60在气体喷射的初始阶段喷出。不管电解质60朝向下部的移动如何，吹入的气体使袋壳体P的形状变形为如图4所示的形状。结果，预先确保了电解质60在重力作用下能够朝向下部移动的空间，从而可快速降低电解质60的液面。特别建议在使用高粘度电解质60时使用鼓风机80。这种高粘度电解质60需要较长的时间来移动到袋壳体P的下部。当使用鼓风机80时，优选地在使用鼓风机80完成气体喷射之后，启动用于在真空腔室70内部形成真空环境的减压。
当电解质60的液面下降时，真空腔室70中的真空度降低。优选的真空度被控制到使得袋壳体P和电极组件30中存在的气体可被有效地去除的程度。可通过反复试验(Trial&Error)来确定具体的真空度。例如，真空腔室70的真空度被设定为-93kPa或更小。换句话说，真空度的绝对值被设定为大于93且具有负值。
如果在电解质60的液面下降之后，真空腔室70的真空度增加，则暴露在电解质60的液面顶部上方的电极组件30直接暴露于真空环境。因此，电极组件中存在的气体被有效去除。
此外，在电解质60的注入期间，被捕获在电解质60中的微小气泡被有效去除。在此，由于电解质60的液面低，因此可防止电解质60通过电解质入口A喷出到外部。
保持真空度的时间设定为确保从暴露在电解质60的液面顶部上方的电极组件30充分地去除气体。优选地，保持真空度的时间设定为5分钟或以上。
之后，执行如图5中所示的工序。换句话说，在电解质60的液面下降的同时保持真空达预定时间之后，再次移动第一夹具41和第二夹具42，以逐渐减小间隙空间G的宽度。在此，真空度实质上保持与气体去除工序中的真空度相同。然后，第一夹具41和第二夹具42逐渐对袋壳体P的外周表面加压。在此，鼓风机80被取出到袋壳体P外部。结果，电解质60的液面逐渐升高。此外，当第一夹具41和第二夹具42中的每一个的位置到达与袋型二次电池B的期望厚度对应的位置时，如图6所示，电解质60的液面升高到高于电极组件30的顶部的位置。
在电解质60的液面逐渐升高的同时，持续地保持初始形成的真空度。因此，暴露在基于电解质60的液面的顶部上方的电极组件暴露于真空环境，由此即使电极组件中存在的微量气体也被完全去除。此外，当电解质60的液面处于最低位置处时，大部分气体通过真空环境被去除。因此，即使在电解质60的液面升高的同时持续地保持初始形成的真空度，在此去除的气体的量也非常小。结果，可从根本上解决由气体的快速排放而引起的电解质喷出的问题。
另外，根据本公开内容的实施方式，间隙空间G的宽度可以以相同的速率逐渐减小。此外，间隙空间G的宽度逐渐减小，同时逐渐增加减小率。从防止电解质60的喷出的角度考虑，后者的情况是更优选的。
当通过上述工序从电极组件30完全去除气体时，如图7中所示，将与电解质入口A对应的第一金属层压膜10和第二金属层压膜20密封，从而完成电解质注入工序。
电解质入口A的密封可在将真空腔室70中的真空环境转换成环境压力之后进行，或者可在将夹具架43卸载到真空腔室70外部之后在外部空气中进行。
根据本公开内容，与常规方法相比，在注入电解质60之后去除气体的过程中，可进一步增加真空腔室70中的真空度。还可从初始阶段保持高真空度。当电解质60的液面下降时，大部分气体被去除。在气体去除过程中，由于电解质60的液面低，即使在真空度高时，电解质60也不会分散或喷出到电解质入口A的外部。
例如，根据相关技术，考虑到电解质60的喷出，真空腔室70的真空度通过以下四个步骤逐渐增加：-75kPa持续5分钟，-80kPa持续5分钟，-85kPa持续5分钟，以及-93kPa持续5分钟。
然而，当应用本公开内容时，不存在电解质60喷出的风险。因此，可在初始阶段将真空度设定为-93kPa，从而与常规工序相比，减少在真空腔室70中执行的工序的节拍时间。
因此，根据本公开内容的用于注入电解质的方法能够减少节拍时间，并且能够更有效地去除电极组件30中存在的气体。因此，可减少缺陷产生并提高生产率。
已经参照具体实施方式和附图详细地描述了本公开内容。然而，应当理解的是，本公开内容不限于此，并且根据这些详细描述和下面的权利要求，本公开内容范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
工业实用性
根据本公开内容，可从袋壳体内部去除气体，同时不会在将电解质注入袋型二次电池的过程中引起节拍时间的延迟。此外，可通过这样的减少节拍时间来提高电解质注入工序的生产率。

Claims (10)

1.一种将电解质注入袋型二次电池的方法，包括以下步骤：
步骤1)将电极组件插置在形成袋壳体的第一金属层压膜与第二金属层压膜之间，并且在其中留下电解质入口的情况下密封每个膜的边缘，从而提供袋型二次电池；
步骤2)将所述袋型二次电池在所述电解质入口面对上方的情况下安装在第一夹具与第二夹具之间，所述第一夹具和所述第二夹具安装在夹具架中以具有可控间隔并形成间隙空间，并且通过所述电解质入口注入电解质；
步骤3)将所述夹具架装载到真空腔室；
步骤4)通过移动所述第一夹具和所述第二夹具来增加所述间隙空间的宽度，使得所述电解质占据的区域被限定在所述袋壳体的下部，然后形成真空环境；和
步骤5)在保持所述真空环境的同时移动所述第一夹具和所述第二夹具，使得所述间隙空间的宽度逐渐减小，并且所述电解质的液面逐渐升高到高于所述电极组件的顶部的位置，
其中在步骤4)中，在将鼓风机插入所述电解质入口并朝向所述袋壳体的内部喷射气体的同时，增加所述间隙空间的宽度。
2.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，其中在步骤4)中，基于所述电极组件的高度h，所述电解质的所述液面位于对应于1/2h或更低的位置处。
3.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，所述方法进一步包括密封所述电解质入口的步骤。
4.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，其中在步骤4)和步骤5)中，相同的真空度被施加至所述真空环境。
5.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，在步骤4)和步骤5)中，所述真空环境的真空度为-93kPa或更小。
6.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，其中在步骤4)中，增加所述第一夹具和所述第二夹具的间隔，使得所述第一夹具和所述第二夹具实质上不会对所述袋壳体的外周表面加压。
7.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，其中在步骤5)中，所述间隙空间的宽度以相同的速率逐渐减小。
8.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，其中在步骤5)中所述间隙空间的宽度逐渐减小，并且减小速率随时间逐渐增加。
9.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，其中所述鼓风机朝向所述袋壳体的侧壁喷射气体。
10.根据权利要求1所述的将电解质注入袋型二次电池的方法，其中在步骤4)中，在通过使用所述鼓风机喷射气体之后形成所述真空环境。
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