CN111342140A - 一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法及装置，包括以下步骤：步骤A：将电芯进行装配、烘烤、注液；步骤B：对完成注液的电芯进行首次陈化；步骤C：对完成首次陈化的电芯主体进行擀压，擀压过程中通过控制擀压的压力及速度，保证PP隔膜MD方向的褶皱得到充分整形；步骤D：对完成擀压的电池进行二次陈化；步骤E：对完成二次陈化的电芯按照常规工艺流程完成成品电池的制作。本发明流程简单，操作方便，通过对注液后预充前的电芯进行垂直于极耳方向的来回擀压的方式有效的将电芯中PP隔膜在MD方向的褶皱消除。

Description

一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法及装置
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法及装置。
背景技术
锂离子电池自从20世纪90年代商业化使用以来，因具备能量密度大、工作温度范围宽、循环寿命长和可快速充放电等特点而被广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机、电动汽车等领域。因此，最近几年对锂离子电池的研究一直是电池界研究的热点。
提升质量、降低成本，保证新能源汽车具有长期的市场竞争力是整个行业需要共同努力的方向。动力电池作为新能源汽车的核心部件，成本的控制尤为重要。在锂离子电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一，其成本对电池的整体价格影响较大，其中干法PP(聚丙烯)隔膜在加工效率、成本及安全性等方面具有较大的优势，符合市场的发展趋势，今年来在各大电池厂的应用占比逐年上升。
干法单拉隔膜因在加工制作过程中横向(TD)方向基本保持不变，纵向(MD)方向发生拉伸，导致干法隔膜的TD和MD方向存在各向异性，两个方向存在应力不均的情况，电池制作过程中当芯包完成注液以后，隔膜受到有机溶剂浸润会逐步释放内应力，MD方向的应力释放比TD方向偏大，两个方向的差异会进一步拉大，此时电池界面已基本固定无法及时消除内应力，隔膜表面会出现褶皱，直接影响到了锂离子电池的使用性能和安全性能。干法隔膜褶皱是比较普遍的问题，在一定程度上阻碍了干法隔膜的大规模使用。
为了改善干法隔膜褶皱问题，隔膜生产厂家采用原材料的调整、工艺过程的调整等来优化改善应力释放的问题，实验证实这些措施对隔膜充分浸润电解液后的应力释放不均的改善效果并不明显，反而提高了隔膜的制造成本，并有可能因为原材料的调整增大电池内阻，对电芯的电性能也有一定不利影响。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法及装置，主要通过对注液陈化浸润完成的锂离子电池进行滚动加压，利用在垂直极耳方向来回擀压的方式将电芯中PP隔膜在MD方向的褶皱消除，使MD方向的隔膜平整，以改善电池界面，避免隔膜褶皱造成的电芯厚度增加及满电后的析锂等现象，从而提高电池的安全和电性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，包括以下步骤：
步骤A：采用Z字型叠片工艺进行电池制作，将电芯进行装配、烘烤、注液；
步骤B：对完成注液的电芯进行首次陈化，保证极片和隔膜的充分浸润；
步骤C：对完成首次陈化的电芯主体进行擀压，擀压过程中通过控制擀压的压力及速度，保证PP隔膜MD方向的褶皱得到充分整形；
步骤D：对完成擀压的电池进行二次陈化，保证电解液充分浸润极片和隔膜；
步骤E：对完成二次陈化的电芯按照常规工艺流程完成成品电池的制作。
进一步的，所述步骤B中，首次陈化的温度为35～45℃，陈化时间为18～36h。
进一步的，所述步骤C中，擀压时，电芯的极耳不进行擀压，擀压方向垂直于极耳的长度方向。
进一步的，所述步骤C中，擀压时，首先擀压电芯的正面，对电芯的正面进行来回两次的擀压，然后将电芯进行180度的翻转，对电芯的背面进行来回两次的擀压。
进一步的，所述步骤C中，辊压的压力控制在0.2MPa～0.6MPa。
进一步的，所述步骤C中，辊压的速度控制在0.05m/s～0.3m/s。
进一步的，所述步骤D中，二次陈化的温度为35～45℃，陈化时间为12～18h。
进一步的，所述步骤E中，常规工艺流程为：预充→化成→老化→分容。
本发明的另一目的在于提出一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的装置，用于权利要求1-8任意一项所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，包括擀压辊、可往复运动的传送带，所述传送带上固定安装有电芯固定台，所述电芯固定台的上表面开设有用于容纳电芯并防止电芯移位的凹槽，所述凹槽的宽度等于电芯主体的宽度，所述凹槽的长度等于电芯主体的长度。
进一步的，所述凹槽的深度小于或等于电芯厚度的二分之一。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)本发明所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，流程简单，操作方便，设备投入不高，通过对注液后预充前的电芯进行垂直于极耳方向的来回擀压的方式将电芯中PP隔膜在MD方向的褶皱消除，此方法可以有效的改善PP隔膜褶皱，使MD方向的隔膜平整，避免隔膜褶皱造成的电芯厚度增加及满电后的析锂等现象，不仅使电芯正负极材料的容量充分发挥，还可以提升电芯的安全性能，效果显著，比较适用于量产电芯工艺的优化；
(2)本发明所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的装置，可方便快捷地完成对电芯主体的擀压，进而有效去除隔膜褶皱，而电芯固定台的设置不仅可以快速、方便地固定电芯，节省时间，提高效率，同时可以保证擀压辊对电芯主体施压的有效性。
附图说明
图1为本发明所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的装置的结构示意图；
图2为电芯在本发明所述电芯固定台上的放置方式及翻转180度后的放置方式示意图；
图3为实施例1、实施例2和对比例的循环性能对比图。
1-触摸控制显示屏；2-电芯固定台；3-关机按钮；4-开机按钮；5-急停按钮；6-第二支架；7-擀压辊支架；8-气缸；9-第一支架；10-擀压辊轴；11-擀压辊；12-凹槽；13-滚轴；14-传送带。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
为便于比较，下述实施例中采用的电池均为Z字型叠片工艺制作的软包装电池，所用正极材料为镍钴锰酸锂，负极材料为人造石墨，所述的电池电解液为1mol/L LiPF6/(EC+DEC+EMC)(体积比1:1:1)，隔膜为PP基底，电芯的生产工艺相同，唯一不同的是擀压工序的压力和速度。以下实施例中的电池均由以下生产工艺制得：注液→首次陈化→擀压→二次陈化→预充→化成→老化→分容。
实施例1
第一步：采用Z字型叠片工艺进行电池制作，将电芯进行装配、烘烤、注液；
第二步：注液后进行电芯的首次陈化，在45℃下进行陈化24h，确保极片的充分浸润；
第三步：将电芯主体放入擀压工装中，调整辊压的压力和速度，对完成首次陈化后的电池进行辊压，辊压压力为0.3MPa，辊压速度为0.1m/s，擀压的方向为垂直于电池极耳的长度方向(即擀压沿着隔膜MD方向进行)，电芯的极耳外露，防止因擀压到电芯的极耳造成极耳损伤的情况的出现，擀压工装及电池的摆放，具体参照图1所示，擀压时首先擀压电芯的正面，擀压辊对电芯正面的主体进行来回两次的擀压，然后将电芯进行180度的翻转，对电芯背面的主体进行来回两次的擀压；
第四步：对完成擀压的电芯进行二次陈化，陈化温度为35℃，陈化时间12h，保证擀压后从正负极片和隔膜间挤出的电解液进行再次浸润；
第五步：剩余流程与正常生产的工艺相一致，常规工艺流程为预充→化成→老化→分容，最终完成成品电池的制作。
实施例2
第一步：采用Z字型叠片工艺进行电池制作，将电芯进行装配、烘烤、注液；
第二步：注液后进行电芯的首次陈化，在45℃下进行陈化24h，确保极片的充分浸润；
第三步：将电芯主体放入擀压工装中，调整辊压的压力和速度，对完成首次陈化后的电池进行辊压，辊压压力为0.4MPa，辊压速度为0.2m/s，擀压的方向为垂直于电池极耳的方向(即擀压沿着隔膜MD方向进行)，电芯的极耳外露，防止因擀压到电芯的极耳造成极耳损伤的情况的出现，擀压工装及电池的摆放，具体参照图1所示，擀压时首先擀压电芯的正面，擀压辊对电芯正面的主体进行来回两次的擀压，然后将电芯进行180度的翻转，对电芯背面的主体进行来回两次的擀压；
第四步：对完成擀压的电芯进行二次陈化，陈化温度为35℃，陈化时间24h，保证擀压后从正负极片和隔膜间挤出的电解液进行再次浸润；
第五步：剩余流程与正常生产的工艺相一致，常规工艺流程为预充→化成→老化→分容，最终完成成品电池的制作。
对比例
隔膜与实施例1和实施例2的规格、批次均相同，到首次陈化完成的工艺流程相同，中间无擀压工序。
第一步：将装配完成的电池进行注液，注液后进行电芯的首次陈化，在45℃下进行陈化，陈化时间24h，确保极片的充分浸润。
第二步：对完成首次陈化的电芯进行二次陈化，陈化温度为35℃，陈化时间24h。
第三步：剩余流程与正常生产的工艺相一致，常规工艺流程为预充→化成→老化→分容，最终完成成品电池的制作。
电芯评测项目：
1.将实施例1和2和对比例的电池进行100％SOC状态拆解，观察隔膜褶皱情况；2.将实施例1和2和对比例的电池进行45℃高温循环的测试，观察容量保持的情况。
评测结果如下：实施例1-2通过辊压装置对垂直于电池极耳的方向(即擀压沿着隔膜MD方向进行)擀压后，能有效的改善隔膜褶皱问题，消除因为PP隔膜褶皱导致的析锂现象，如表1所示。经过擀压界面改善后的电芯的循环性能更加优异，如图2所示。
表1 100％SOC状态电池拆解情况
Figure BDA0002404671170000071
另外，本发明还提出一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的装置，包括机架，所述机架上固定安装有滚轴13，滚轴13一侧设有驱动滚轴正反转的正反转电机驱动(图中未示出)，所述滚轴13上绕设有传送带14，所述传送带14与滚轴13摩擦连接。所述传送带14上固定安装有电芯固定台2，所述电芯固定台2的上表面开设有用于容纳电芯并防止电芯移位的凹槽12，所述凹槽12的宽度等于电芯主体的宽度，凹槽12的长度等于电芯主体的长度，凹槽12的深度小于或等于电芯厚度的二分之一，以固定电芯并保证擀压辊11对电芯主体施压的有效性。
所述机架上还分别固定有第一支架9和第二支架6，所述第一支架9上固定安装有两个气缸8，两个所述气缸8的伸缩杆固定连接有擀压辊支架7，所述擀压辊支架7上固定安装有擀压辊轴10，所述擀压辊轴10上安装有擀压辊11，擀压辊11由电机驱动。
所述第二支架6上分别固定安装有触摸控制显示屏1、开机按钮4、关机按钮3和急停按钮5，所述触摸控制显示屏1通过电线与气缸8的控制开关相连，用于输入擀压压力等参数。所述开机按钮4、关机按钮3和急停按钮5均与驱动传送带14正反转的正反转电机的控制开关电连接，以分别控制传送带14的开启、停止和急停。
使用时，将电芯主体放置到凹槽12内，电芯的侧边和底边和极耳均放置到电芯固定台2的边沿处。通过触摸控制显示屏1控制气缸8驱动擀压辊11下移到指定位置，按下启开机按钮4，用于驱动滚轴13的正反转电机正转，传送带14带动电芯移动到擀压辊11处，擀压辊11对电芯主体的正面进行一次擀压，擀压时，极耳不在擀压辊11的运动路径上，极耳不会被擀压到，然后，用于驱动滚轴的正反转电机反转，传送带14带动电芯再次移动到擀压辊11处，擀压辊11对电芯主体的正面进行第二次擀压。然后将电芯翻转180度，按照同样的方法对电芯主体的背面进行来回两次的擀压，即完成整个擀压过程，按下关机按钮3结束操作。
本装置可方便快捷地完成对电芯主体的擀压，进而有效去除隔膜褶皱，而电芯固定台2的设置不仅可以快速、方便地固定电芯，节省时间，提高效率，同时可以保证擀压辊11对电芯主体施压的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A：采用Z字型叠片工艺进行电池制作，将电芯进行装配、烘烤、注液；
步骤B：对完成注液的电芯进行首次陈化，保证极片和隔膜的充分浸润；
步骤C：对完成首次陈化的电芯主体进行擀压，擀压过程中通过控制擀压的压力及速度，保证PP隔膜MD方向的褶皱得到充分整形；
步骤D：对完成擀压的电池进行二次陈化，保证电解液充分浸润极片和隔膜；
步骤E：对完成二次陈化的电芯按照常规工艺流程完成成品电池的制作。
2.根据权利要求1所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：所述步骤B中，首次陈化的温度为35～45℃，陈化时间为18～36h。
3.根据权利要求1所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：所述步骤C中，擀压时，电芯的极耳不进行擀压，擀压方向垂直于极耳的长度方向。
4.根据权利要求1所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：所述步骤C中，擀压时，首先擀压电芯的正面，对电芯的正面进行来回两次的擀压，然后将电芯进行180度的翻转，对电芯的背面进行来回两次的擀压。
5.根据权利要求1所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：所述步骤C中，辊压的压力控制在0.2MPa～0.6MPa。
6.根据权利要求1所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：所述步骤C中，辊压的速度控制在0.05m/s～0.3m/s。
7.根据权利要求1所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：所述步骤D中，二次陈化的温度为35～45℃，陈化时间为12～18h。
8.根据权利要求1所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：所述步骤E中，常规工艺流程为：预充→化成→老化→分容。
9.一种改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的装置，用于权利要求1-8任意一项所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的方法，其特征在于：包括机架，所述机架上固定安装有滚轴，所述滚轴由正反转电机驱动，滚轴上绕设有传送带，所述传送带与滚轴摩擦连接，传送带上固定安装有电芯固定台，所述电芯固定台的上表面开设有用于容纳电芯并防止电芯移位的凹槽；
所述机架上还固定有第一支架，所述第一支架上固定安装有两个气缸，两个所述气缸的伸缩杆固定连接有擀压辊支架，所述擀压辊支架上固定安装有擀压辊轴，所述擀压辊轴上安装有擀压辊。
10.根据权利要求9所述的改善锂离子软包叠片电池干法隔膜褶皱的装置，其特征在于：所述凹槽的宽度等于电芯主体的宽度，凹槽的长度等于电芯主体的长度，凹槽的深度小于或等于电芯厚度的二分之一。
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