CN112038704A - 一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺 - Google Patents

一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，顺次包括以下工序：揉平、包胶、入壳、集流盘焊接、合盖、周边焊和氦检。本发明组装工艺简洁高效，各工序之间衔接紧密，且对于各工序半成品提供必要的检测、评价方法，减少不必要的报废，降低生产成本。

Description

一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺
技术领域
本发明涉及圆柱锂离子电池技术领域，具体是一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺。
背景技术
圆柱锂离子电池具有能量密度大，平均输出电压高，自放电小，循环性能优越、可快速充放电，充电效率高，而且输出功率大，使用寿命长等优点，在新能源汽车领域占据越来越多的市场份额。圆柱锂离子电池内部设计结构常使用单极耳式、多极耳式以及全极耳式，单极耳式、多极耳式在制片上主要采用间歇式涂布、辊压、分切、空白区焊接条状正负极集流体，然后将极片卷绕成卷芯、入壳、集流体焊接到盖板上，最后组装封口。这种工艺操作复杂，生产效率底，不易组装。
全极耳式的圆柱锂离子电池在制片上采用连续式涂布，生产效率高，同等极片尺寸下电池容量以及能量密度均比其它两种结构高，且全极耳式结构设计相对简单，对设备要求相对较低，组装工艺简洁，自动化生产效率高。然而就现有组装工艺方法而言，类似集流体与卷芯极耳、盖板焊接等工序仍较繁琐复杂，容易产生报废合格率较低，且对设备精度要求高；此外，现有组装工艺方法对各工序半成品未有细致的检测、评价方法，缺少返工举措，造成不必要的报废，导致生产成本增高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，组装工艺简洁高效，各工序之间衔接紧密，且对于各工序半成品提供必要的检测、评价方法，减少不必要的报废，降低生产成本。
本发明的技术方案为：
一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，顺次包括以下工序：揉平、包胶、入壳、集流盘焊接、合盖、周边焊和氦检；上述工序具体操作如下：
(1)、揉平工序：将卷芯正负极两端的全极耳整形、揉挤成平面且高出隔膜一定距离，便于后续焊接集流盘；
(2)、包胶工序：将揉平后的卷芯正负极两端包覆绝缘胶带，防止全极耳与金属壳体接触发生短路；
(3)、入壳工序：顶推装置将包覆绝缘胶带后的卷芯推入壳体；
(4)、集流盘焊接工序：将正负极集流盘分别焊接在卷芯正负极揉平后的两个端面上；
(5)、合盖工序：将集流盘、盖板经过预定角度的弯折、挤压并与壳体紧密结合，实现集流盘与盖板的铆合连接，再经预点焊定型；
(6)、周边焊工序：将合盖好的圆柱锂离子电池进行周边封口焊接；
(7)、氦检工序：将周边焊后的圆柱锂离子电池采用氦检设备进行气密性检测，气密性合格的电池继续流转，气密性不合格的电池进行返工或报废。
所述步骤(1)中，卷芯正负极两端的端面进行单独揉平或同时揉平，揉平后卷芯经过真空吸除金属屑、长度测试和短路测试，测试后的合格品继续流转，不合格品则进行返工或报废；所述的揉平选用超声波揉平、机械揉平单一揉平方式或超声波揉平与机械揉平的组合方式，所述的超声波揉平的主要参数设置为：功率200～1600W、振幅15％～60％、能量20～100J、揉平速度1～4mm/s；所述的机械揉平主要参数设置为：旋转速度2000～16000r/min、揉平速度1～4mm/s；所述的真空吸除金属屑的真空压力为-10～-50KPa，正负极两端同时进行真空吸除金属屑；所述的短路测试的主要测试设备选用脉冲式短路测试仪或内阻式短路测试仪，脉冲式短路测试仪的主要参数设置为：电压200～360V、时间0.1～1s、Vd1 5％～15％、Vd2 10～30％，内阻式短路测试仪的主要参数设置为：电压200～360V、阻值30～60MΩ、时间0.2～2.0s。
所述步骤(2)中，卷芯正负极两端进行单独包胶或同时包胶，包胶时绝缘胶带绕卷芯正负极两端各包覆一圈并重合2-10mm，且绝缘胶带超出卷芯边缘1-2.5mm，包胶后，使用CCD视觉检测包胶外观效果，胶带平整、无褶皱，检测后的合格品继续流转，外观不良品返工重新包胶。
所述步骤(3)中，顶推装置推送卷芯的负极一端，使卷芯的正极先入壳，有效防止负极胶带翻折极耳外露造成负极短路，卷芯入壳后，卷芯边缘到对应铝壳口的距离为3～5mm，入壳后使用X-Ray检测入壳时胶带有无翻折，检测后的合格品继续流转，极耳外露的不良卷芯返工重新包胶和入壳。
所述步骤(4)中，将正负极集流盘采用激光焊接的方式分步焊接在卷芯正负极揉平后的两个端面上，激光焊接的功率设置为4.5～9kW，激光焊接的方式为脉冲焊接或者连续焊接，集流盘焊接后进行外观检测、短路检测、焊接拉力检测，检测后的合格品继续流转，不合格品则进行返工或报废。
所述的激光焊接方式为脉冲焊接时，激光在正负极集流盘上形成2～6排焊点，其中有效焊点占总焊点比例≥75％；所述的激光焊接方式为选择焊接时，激光在正负极集流盘上形成2～6条焊线，焊线形状为直线、曲线、折线中的至少一种，其中有效焊接面积占总焊接面积比例≥75％；所述的外观检测即使用CCD视觉检测集流盘和壳体的轮廓洁净、清晰、平整，无金属丝、缺料、裂纹和变形；所述的短路检测是使用脉冲短路测试仪进行测试，主要测试参数为：电压200～360V、时间0.1～1s、Vd1 5％～15％、Vd2 10～30％；所述的焊接拉力检测采用拉力测试仪进行测试，焊接拉力满足≥10N，拉力测试仪的测试速度为15～30mm/min。
所述步骤(5)中，将集流盘、盖板经过预定角度的弯折、挤压并与壳体紧密结合即预合盖，预合盖后电芯流转至下一工位进行二次合盖，然后预点焊定型，即使用激光焊接机在圆柱壳体与盖板间焊缝处焊接2～4个焊点，使正负极盖板定型便于后续进行盖板周边焊。
所述步骤(6)中，周边封口焊接时，正负极两端单独分布进行激光焊接，焊接设备的参数设置为：功率600～1800W、焊接强度≥0.8MPa，周边焊后电池进行焊接强度测试和短路测试，测试后的合格品电池在正极盖板注液孔的另一侧激光打二维码，不合格的电池进行周边焊返工或报废；所述的短路测试是使用脉冲短路测试仪进行测试，测试参数设置为：电压200～360V、时间0.1～1s、Vd1 5％～15％、Vd2 10～30％。
所述步骤(7)中，氦检设备进行进行气密性检测的主要参数为：检漏率≤10- 6Pa.m3/s、充氦压力180～240KPa，气密性检测合格的电池继续流转，不合格电池进行周边焊返工，返工仍不合格则报废处理。
本发明的优点：
(1)、本发明集流盘与盖板的铆合连接，简化了卷芯、集流体、盖板之间的焊接工艺，生产效率于合格率有明显的提高；
(2)、本发明组装工艺简洁高效，各工序之间衔接紧密，且对于各工序半成品提供必要的检测、评价方法，减少不必要的报废，可明显降低生产成本。
附图说明
图1是本发明揉平、包胶后卷芯的结构示意图；其中，1-卷绕终止胶带，2-包胶绝缘胶带，3-负极全极耳，4-正极全极耳。
图2是本发明正极集流盘与正极盖板连接后的结构示意图，其中，5-正极盖板，6-正极集流盘，7-正极极柱。
图3是本发明负极集流盘与负极盖板连接后的结构示意图，其中，8-负极盖板，9-负极集流盘，10-负极极柱。
图4是本发明合盖前圆柱电芯的结构示意图，其中，11-圆柱壳体，12-正负极盖板，13-卷芯，14-包胶胶带，15-卷绕终止胶带。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1～图4，一种全极耳圆柱锂离子电池组装工艺，基体包括以下步骤：
(1)、揉平工序：正极全极耳采用超声波揉平，其设备主要参数设置为：功率800W、振幅30％、能量50J、揉平速度1.8mm/s，揉平深度2.5mm；负极全极耳采用机械揉平，其设备主要参数为：旋转速度12000r/min、揉平速度1.2mm/s，揉平深度1.5mm；揉平后卷芯经过真空吸除金属屑(真空压力为-10～-50KPa，正负极两端同时负压除金属屑)、长度测试、短路测试(脉冲式短路测试仪：电压300V、时间0.2s、Vd1 10％、Vd2 20％，短路测试只进行一次，不合格品作报废处理)，测试合格品继续流转，不合格品则进行返工或报废；
(2)、包胶工序：卷芯的正、负极两端采用单独分步包胶，绝缘胶带绕卷芯正负极两端各包覆一圈并重合5mm，且绝缘胶带超出卷芯边缘1.5mm，使用CCD视觉检测包胶外观效果，胶带平整、无褶皱，检测合格品继续流转，外观不良品返工重新包胶；
(3)、入壳工序：顶推装置推送卷芯的负极一端，使卷芯的正极先入壳，可有效防止负极胶带翻折极耳外露造成负极短路，且卷芯正极端到铝壳口的距离为3.6mm，入壳后使用X-Ray检测入壳时胶带无翻折和脱胶，检测合格品继续流转，不良品返工重新包胶和入壳；
(4)、集流盘焊接工序：将正负极集流盘分别焊接在卷芯正负极揉平后的两个端面上；焊接时正负极进行单独分步焊接，均使用脉冲激光焊并在正负极集流盘上形成2～6排焊点，负极焊接功率为5.4kW、正极焊接功率为4.5kW，正负极集流盘焊接后均预折90°使盖板翘起，便于流转至合盖工序，集流盘焊接后进行外观检测(使用CCD视觉检测集流盘和壳体的轮廓洁净、清晰、平整，无金属丝、缺料、裂纹和变形)、短路检测(脉冲式短路测试仪：电压300V、时间0.2s、Vd1 10％、Vd2 20％，短路测试只进行一次，不合格品作报废处理)、焊接拉力检测(焊接拉力测试需满足≥10N，拉力测试仪主要参数：速度为15～30mm/min)，检测合格品继续流转，不合格品则进行返工或报废；
(5)、合盖工序：先将集流盘、盖板经过预定角度的弯折、挤压与壳体紧密结合即预合盖，预合盖后电芯流转至下一工位进行二次合盖，然后预点焊定型，即使用激光焊接机在圆柱壳体与盖板间焊缝处焊接3个焊点(每个焊点间隔120°)使正负极盖板定型；
(6)、周边焊工序：焊接时正负极进行单独分步焊接，均使用连续激光焊，焊接功率为900W，周边焊后电池进行焊接强度测试(周边焊接强度≥0.8MPa，通过打压测试方式抽样检测)、短路测试(脉冲式短路测试仪：电压300V、时间0.2s、Vd1 10％、Vd2 20％，短路测试只进行一次，不合格品作报废处理)，测试合格品电池在正极盖板注液孔的另一侧激光打二维码，不合格电池进行周边焊返工或报废；
(7)、氦检工序：将周边焊后的圆柱锂离子电池采用氦检设备进行气密性检测，气密性合格的电池继续流转，气密性不合格的电池进行返工或报废，其中，氦检设备主要参数：检漏率≤10-6Pa.m3/s、充氦压力220KPa。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：顺次包括以下工序：揉平、包胶、入壳、集流盘焊接、合盖、周边焊和氦检；上述工序具体操作如下：
(1)、揉平工序：将卷芯正负极两端的全极耳整形、揉挤成平面且高出隔膜一定距离，便于后续焊接集流盘；
(2)、包胶工序：将揉平后的卷芯正负极两端包覆绝缘胶带，防止全极耳与金属壳体接触发生短路；
(3)、入壳工序：顶推装置将包覆绝缘胶带后的卷芯推入壳体；
(4)、集流盘焊接工序：将正负极集流盘分别焊接在卷芯正负极揉平后的两个端面上；
(5)、合盖工序：将集流盘、盖板经过预定角度的弯折、挤压并与壳体紧密结合，实现集流盘与盖板的铆合连接，再经预点焊定型；
(6)、周边焊工序：将合盖好的圆柱锂离子电池进行周边封口焊接；
(7)、氦检工序：将周边焊后的圆柱锂离子电池采用氦检设备进行气密性检测，气密性合格的电池继续流转，气密性不合格的电池进行返工或报废。
2.根据权利要求1所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，卷芯正负极两端的端面进行单独揉平或同时揉平，揉平后卷芯经过真空吸除金属屑、长度测试和短路测试，测试后的合格品继续流转，不合格品则进行返工或报废；所述的揉平选用超声波揉平、机械揉平单一揉平方式或超声波揉平与机械揉平的组合方式，所述的超声波揉平的主要参数设置为：功率200～1600W、振幅15％～60％、能量20～100J、揉平速度1～4mm/s；所述的机械揉平主要参数设置为：旋转速度2000～16000r/min、揉平速度1～4mm/s；所述的真空吸除金属屑的真空压力为-10～-50KPa，正负极两端同时进行真空吸除金属屑；所述的短路测试的主要测试设备选用脉冲式短路测试仪或内阻式短路测试仪，脉冲式短路测试仪的主要参数设置为：电压200～360V、时间0.1～1s、Vd1 5％～15％、Vd2 10～30％，内阻式短路测试仪的主要参数设置为：电压200～360V、阻值30～60MΩ、时间0.2～2.0s。
3.根据权利要求1所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，卷芯正负极两端进行单独包胶或同时包胶，包胶时绝缘胶带绕卷芯正负极两端各包覆一圈并重合2-10mm，且绝缘胶带超出卷芯边缘1-2.5mm，包胶后，使用CCD视觉检测包胶外观效果，胶带平整、无褶皱，检测后的合格品继续流转，外观不良品返工重新包胶。
4.根据权利要求1所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述步骤(3)中，顶推装置推送卷芯的负极一端，使卷芯的正极先入壳，有效防止负极胶带翻折极耳外露造成负极短路，卷芯入壳后，卷芯边缘到对应铝壳口的距离为3～5mm，入壳后使用X-Ray检测入壳时胶带有无翻折，检测后的合格品继续流转，极耳外露的不良卷芯返工重新包胶和入壳。
5.根据权利要求1所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述步骤(4)中，将正负极集流盘采用激光焊接的方式分步焊接在卷芯正负极揉平后的两个端面上，激光焊接的功率设置为4.5～9kW，激光焊接的方式为脉冲焊接或者连续焊接，集流盘焊接后进行外观检测、短路检测、焊接拉力检测，检测后的合格品继续流转，不合格品则进行返工或报废。
6.根据权利要求5所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述的激光焊接方式为脉冲焊接时，激光在正负极集流盘上形成2～6排焊点，其中有效焊点占总焊点比例≥75％；所述的激光焊接方式为选择焊接时，激光在正负极集流盘上形成2～6条焊线，焊线形状为直线、曲线、折线中的至少一种，其中有效焊接面积占总焊接面积比例≥75％；所述的外观检测即使用CCD视觉检测集流盘和壳体的轮廓洁净、清晰、平整，无金属丝、缺料、裂纹和变形；所述的短路检测是使用脉冲短路测试仪进行测试，主要测试参数为：电压200～360V、时间0.1～1s、Vd1 5％～15％、Vd2 10～30％；所述的焊接拉力检测采用拉力测试仪进行测试，焊接拉力满足≥10N，拉力测试仪的测试速度为15～30mm/min。
7.根据权利要求1所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述步骤(5)中，将集流盘、盖板经过预定角度的弯折、挤压并与壳体紧密结合即预合盖，预合盖后电芯流转至下一工位进行二次合盖，然后预点焊定型，即使用激光焊接机在圆柱壳体与盖板间焊缝处焊接2～4个焊点，使正负极盖板定型便于后续进行盖板周边焊。
8.根据权利要求1所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述步骤(6)中，周边封口焊接时，正负极两端单独分布进行激光焊接，焊接设备的参数设置为：功率600～1800W、焊接强度≥0.8MPa，周边焊后电池进行焊接强度测试和短路测试，测试后的合格品电池在正极盖板注液孔的另一侧激光打二维码，不合格的电池进行周边焊返工或报废；所述的短路测试是使用脉冲短路测试仪进行测试，测试参数设置为：电压200～360V、时间0.1～1s、Vd1 5％～15％、Vd2 10～30％。
9.根据权利要求1所述的一种全极耳圆柱锂离子电池自动化组装工艺，其特征在于：所述步骤(7)中，氦检设备进行进行气密性检测的主要参数为：检漏率≤10-6Pa.m3/s、充氦压力180～240KPa，气密性检测合格的电池继续流转，不合格电池进行周边焊返工，返工仍不合格则报废处理。
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