CN112652824A - 柱形锂离子电池制造工艺 - Google Patents

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李文文
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Abstract

本发明提供了柱形锂离子电池制造工艺，属于锂离子电池领域，包括S1、正极片和负极片的同时制作，准备绕卷；S2、卷绕，将S1中制作完成的正极片、负极片和隔膜进行卷绕，隔膜设在正极片和负极片之间，卷绕后形成卷芯；S3、烘烤，降低卷芯表面的水分值；S4、电解液浸润，将S2中卷绕后的卷芯浸没在注液腔室的电解液里，注液腔室内环境变为真空状态，注液完成后，将卷芯取出，S5、入壳组装，夹取电池壳对浸润注液后卷芯进行卷芯入壳处理；S6、预充、老化、化成和分容。本发明将涂布和碾压工序结合在一起，大大简化了生产工艺，另外采用浸入式的电解液注液工艺，可以有效改善电解液浸润程度，提升电池性能。

Description

柱形锂离子电池制造工艺
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及新能源汽车的锂离子电池，尤其涉及柱形锂离子电池制造工艺。
背景技术
圆柱形锂离子电池是一种将正极、负极、隔膜通过卷绕的方式形成圆柱状卷芯结构，并通过圆柱状金属外壳进行密封的电池结构。与方形硬壳和软包装电池相比，圆柱形电池具有制造工艺相对成熟，可有效抑制极片膨胀，热失控传播易控制等特点。近年来，随着新能源汽车对电池能量密度、功率性能和安全性等要求的日益提高，圆柱电池的结构发生了明显变化，电池体积和尺寸越来越高，传统电池制造工艺已难以满足大尺寸圆柱电池的要求。
目前常用的圆柱形锂离子电池结构由卷芯、盖板、圆柱外壳等部件组成，极片涂布完后，根据位置定义焊接上极耳，通过卷绕方式把极片卷成带极耳的圆柱卷芯，卷芯通过极耳和上下盖板上的集流体焊接好，整体推入圆柱外壳后，盖板和外壳通过激光焊焊接到一起，这种电池结构复杂、零件种类繁多、装配工序多、一致性控制难度大。另外还有一种工艺是极耳揉磨平工艺，把全极耳卷芯的顶部通过机械的外部揉磨，盖板有一个可折叠连接片，通过激光焊接方式焊接到卷芯极耳部分。
另外在传统注液工艺过程中，圆柱型锂离子电池在注液后需要进行多次加压或抽真空静置处理，但是这个加压或抽真空的时间不易掌握和控制，且随着卷芯尺寸的增加，电解液很难浸润到卷芯每层极片内部，造成浸润不良。
发明内容
本发明要解决的问题是在于提供柱形锂离子电池制造工艺，将涂布和碾压工序结合在一起，大大简化了生产工艺，另外采用浸入式的电解液注液工艺，可以有效改善电解液浸润程度，提升电池性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：柱形锂离子电池制造工艺，包括以下步骤；
S1、正极片和负极片的同时制作，准备绕卷；
S2、卷绕，将S1中制作完成的正极片、负极片和隔膜进行卷绕，隔膜设在正极片和负极片之间，卷绕后形成卷芯；
S3、烘烤，降低卷芯表面的水分值；
S4、电解液浸润，将S2中卷绕后的卷芯浸没在注液腔室的电解液里，注液腔室内环境变为真空状态，注液完成后，将卷芯取出，
S5、入壳组装，夹取电池壳对浸润注液后卷芯进行卷芯入壳处理；
S6、预充、老化、化成和分容。
进一步的，正极片的制作步骤如下，S11、物料混合，将电极活性物质、导电剂和粘结剂充分混合后，经过加热处理成流动状态，然后转移到集流体上；
S12、压制、辊压，通过成对设置的整平辊进行压制，通过成对设置的碾压辊对正极片进行辊压；
S13、正极分切，分切后的正极片收卷对齐；
S14、正极耳折弯，每层正极耳叠加设置。
进一步的，在步骤S11中，干粉混合，导电剂、粘结剂均匀分布在活性物质周围，外观看没有颜色差别，扫描电镜看没有明显团聚，混合时间4-6h，通过加热将粘结剂软化，将物料粘接在一起。
进一步的，物料在混料仓内混合，混料仓的底部设有供集流体向下穿过的狭缝，所述混料仓的下端设有物料转移用且成对设置的转移辊，转移辊的下端设置成对的整平辊，整平辊与碾压辊之间设有转向辊，将集流体从竖直状态转化为水平状态，碾压辊的后端为收成卷状的极卷，极卷的下端设有收卷架。
进一步的，导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等中的一种或多种组合；粘结剂为PVDF、PTFE、PVP、聚丙烯酸、SBR-CMC中的一种或多种组合。
进一步的，集流体包括导电骨架，导电骨架为金属薄膜或高分子导电材料，导电骨架的厚度为10μm-40μm，导电骨架中设有间隙孔，间隙孔占导电骨架的比例为30％-80％。
进一步的，在步骤S13中，分切后的总宽度公差±0.5mm，分切后的极片应无卷边、脱料等不良情况；极片收卷对齐，错位≤1mm；
在步骤S14中，极耳的弯折角度是60°～80°或180°，卷绕后的正极耳处有定型辅助轮收紧，每层正极耳都叠加在一起，形成致密稳定的结构，便于电解液渗入。
进一步的，在步骤S3中，烘烤温度：90-150℃；时间：10-24h；真空度：低压≤1000Pa；极片测试水分：水分值≤350ppm。
进一步的，在步骤S4中，通过机械手放置于托盘内，托盘上设有定位柱，对卷芯进行定位；采用机械手将整个托盘浸没在注液腔室的电解液里，开启真空设备，通过真空管道把注液腔室内环境变为真空状态；
注液完成后，将托盘取出，通过机械手夹取电池壳对浸润注液后卷芯进行卷芯入壳处理，含有卷芯的外壳进行辊槽、再与盖板进行连接装配。
进一步的，在步骤S6中，预充过程中，充电电流0.02-1C，温度20-60℃，电压小于电芯上限电压；老化的过程中，电池剩余电量百分比为10-100％，温度20-50℃，时间7-30天；化成分容是进行容量、内阻的测试。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明与传统的圆柱形锂电池制备工艺相比具有简单、高效、节约成本的优势，匀浆工序省略溶剂，直接将主材、辅材进行干混，高效，降低成本；物料压制工序无需烘烤，避免了传统涂布工艺由于溶剂挥发导致的导电剂、粘结剂上浮问题，可以使极片孔隙分布更加均匀，将物料直接转移到集流体上，无需将电极物料先制备成薄膜，再与集流体进行复合；
2、本发明在极片制作过程中，消除了溶剂的使用，将电极活性物质、导电剂和粘结剂充分混合后，经过加热处理成可流动状态，然后将涂布和碾压工序结合在一起，大大简化了生产工艺；
3、本发明中，采用浸入式的电解液注液工艺，可以有效改善电解液浸润程度，提升电池性能，与传统的圆柱形锂电池制备工艺相比：浸润式注液能够有效改善正负极片吸液能力，且耗时短，极片各个位置浸润充分，能够有效提高电芯一致性、改善电芯界面析锂等问题，效率高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明柱形锂离子电池制造工艺的流程图；
图2是本发明正极片制备的结构示意图；
图3是本发明电池注液过程示意图；
图4是本发明电池入壳装配过程示意图。
附图标记：
1、电极材料；2、集流体；3、混料仓；4、转移辊；5、整平辊；6、转向辊；7、碾压辊；8、收卷架；9、极卷；21、机械手；22、电池壳；31、真空管道；32、注液腔室；33、电解液；50、托盘；60、卷芯。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1～图4所示，柱形锂离子电池制造工艺，包括以下步骤；
S1、正极片和负极片的同时制作，准备绕卷；
S2、卷绕，将S1中制作完成的正极片、负极片和隔膜进行卷绕，隔膜设在正极片和负极片之间，卷绕后形成卷芯60；
S3、烘烤，降低卷芯60表面的水分值；
S4、电解液33浸润，将S2中卷绕后的卷芯60浸没在注液腔室32的电解液33里，注液腔室32内环境变为真空状态，注液完成后，将卷芯60取出，
S5、入壳组装，夹取电池壳22对浸润注液后卷芯60进行卷芯60入壳处理；
S6、预充、老化、化成和分容。
优选地，正极片的制作步骤如下，S11、物料混合，将电极活性物质、导电剂和粘结剂充分混合后，经过加热处理成流动状态，然后转移到集流体2上；S12、压制、辊压，通过成对设置的整平辊5进行压制，通过成对设置的碾压辊7对正极片进行辊压；S13、正极分切，分切后的正极片收卷对齐；S14、正极耳折弯，每层正极耳叠加设置，设置极耳折弯处理工艺，减少了极耳焊接，可以极片集流体2留白的区域可以设置缺口或其他操作，形成所需形状的极耳结构。
优选地，在步骤S11中，干粉混合，导电剂、粘结剂均匀分布在活性物质周围，外观看没有颜色差别，扫描电镜看没有明显团聚，混合时间4-6h，通过加热将粘结剂软化，将物料粘接在一起；优选地，物料在混料仓3内混合，混料仓3的底部设有供集流体2向下穿过的狭缝，混料仓3的下端设有物料转移用且成对设置的转移辊4，转移辊4的下端设置成对的整平辊5，整平辊5与碾压辊7之间设有转向辊6，将集流体2从竖直状态转化为水平状态，碾压辊7的后端为收成卷状的极卷9，极卷9的下端设有收卷架8；优选地，导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等中的一种或多种组合；粘结剂为PVDF、PTFE、PVP、聚丙烯酸、SBR-CMC中的一种或多种组合；优选地，集流体2包括导电骨架，导电骨架为金属薄膜或高分子导电材料，导电骨架的厚度为10μm-40μm，导电骨架中设有间隙孔，间隙孔占导电骨架的比例为30％-80％，间隙孔的形状可以为圆形、菱形等任意形状，比如拉伸或编织金属网，可以通过编织铜网、编织镍网、编织不锈钢网、拉伸铜网、拉伸镍网或拉伸不锈钢网等而形成；优选地，在步骤S13中，分切后的总宽度公差±0.5mm，分切后的极片应无卷边、脱料等不良情况；极片收卷对齐，错位≤1mm；在步骤S14中，极耳的弯折角度是60°～80°或180°，卷绕后的正极耳处有定型辅助轮收紧，每层正极耳都叠加在一起，形成致密稳定的结构，便于电解液33渗入；优选地，在步骤S3中，烘烤温度：90-150℃；时间：10-24h；真空度：低压≤1000Pa；极片测试水分：水分值≤350ppm，对表面的水分进行烘干，提升极片的质量。
在正极片制备的过程中，电极制备不含溶剂，避免了传统涂布工艺由于溶剂挥发导致的导电剂、粘结剂上浮问题，可以使极片孔隙分布更加均匀；将物料直接转移到集流体2上，无需将电极物料先制备成薄膜，再与集流体2进行复合。
电极物料通过料仓底部狭缝以及物料转移辊4对极片面密度、厚度进行控制，接着通过整平辊5对极片进行压平处理，接着经过转向辊6到达碾压辊7，辊压后收卷，完成一体化极片制成，制备完成的极片可以裁切成所需尺寸的极片，在极片集流体2留白的区域可以设置缺口进行折弯处理，形成所需形状的极耳结构。
负极片的制作工艺与正极片的制作工艺相同，负极比正极稍微宽2-5mm，此是本领域公知的技术常识，正极片和负极片同时制作完成后，同时与隔膜，三者卷绕成一体结构。
优选地，在步骤S4中，通过机械手21放置于托盘50内，托盘50上设有定位柱，对卷芯60进行定位；采用机械手21将整个托盘50浸没在注液腔室32的电解液33里，开启真空设备，通过真空管道31把注液腔室32内环境变为真空状态；注液完成后，将托盘50取出，通过机械手21夹取电池壳22对浸润注液后卷芯60进行卷芯60入壳处理，含有卷芯60的外壳进行辊槽、再与盖板进行连接装配；优选地，托盘50上可设置多个卷芯60，多个卷芯60在托盘50上均布设置，机械手21上设置多个夹持工装，可同时放置多个电池壳22，同时对整排的卷芯60进行组装，提升组装的效率。
优选地，在步骤S6中，预充过程中，充电电流0.02-1C，温度20-60℃，电压小于电芯上限电压；老化的过程中，电池剩余电量百分比为10-100％，温度20-50℃，时间7-30天；化成分容是进行容量、内阻的测试，进行电池的性能参数的测试。
在制作的工艺过程中，严格按照以上的步骤进行，并按照以上的参数进行设定，本发明的工艺采用浸入式的电解液33注液工艺，可以有效改善电解液33浸润程度，提升电池性能，与传统的圆柱形锂电池制备工艺相比：浸润式注液能够有效改善正负极片吸液能力，且耗时短，极片各个位置浸润充分，能够有效提高电芯一致性、改善电芯界面析锂等问题，效率高。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：包括以下步骤，
S1、正极片和负极片的同时制作，准备绕卷；
S2、卷绕，将S1中制作完成的正极片、负极片和隔膜进行卷绕，隔膜设在正极片和负极片之间，卷绕后形成卷芯；
S3、烘烤，降低卷芯表面的水分值；
S4、电解液浸润，将S2中卷绕后的卷芯浸没在注液腔室的电解液里，注液腔室内环境变为真空状态，注液完成后，将卷芯取出，
S5、入壳组装，夹取电池壳对浸润注液后卷芯进行卷芯入壳处理；
S6、预充、老化、化成和分容。
2.根据权利要求1所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：正极片的制作步骤如下，S11、物料混合，将电极活性物质、导电剂和粘结剂充分混合后，经过加热处理成流动状态，然后转移到集流体上；
S12、压制、辊压，通过成对设置的整平辊进行压制，通过成对设置的碾压辊对正极片进行辊压；
S13、正极分切，分切后的正极片收卷对齐；
S14、正极耳折弯，每层正极耳叠加设置。
3.根据权利要求2所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：在步骤S11中，干粉混合，导电剂、粘结剂均匀分布在活性物质周围，外观看没有颜色差别，扫描电镜看没有明显团聚，混合时间4-6h，通过加热将粘结剂软化，将物料粘接在一起。
4.根据权利要求2所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：物料在混料仓内混合，混料仓的底部设有供集流体向下穿过的狭缝，所述混料仓的下端设有物料转移用且成对设置的转移辊，转移辊的下端设置成对的整平辊，整平辊与碾压辊之间设有转向辊，将集流体从竖直状态转化为水平状态，碾压辊的后端为收成卷状的极卷，极卷的下端设有收卷架。
5.根据权利要求2所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等中的一种或多种组合；粘结剂为PVDF、PTFE、PVP、聚丙烯酸、SBR-CMC中的一种或多种组合。
6.根据权利要求2所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：集流体包括导电骨架，导电骨架为金属薄膜或高分子导电材料，导电骨架的厚度为10μm-40μm，导电骨架中设有间隙孔，间隙孔占导电骨架的比例为30％-80％。
7.根据权利要求2所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：在步骤S13中，分切后的总宽度公差±0.5mm，分切后的极片应无卷边、脱料等不良情况；极片收卷对齐，错位≤1mm；
在步骤S14中，极耳的弯折角度是60°～80°或180°，卷绕后的正极耳处有定型辅助轮收紧，每层正极耳都叠加在一起，形成致密稳定的结构，便于电解液渗入。
8.根据权利要求1所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：在步骤S3中，烘烤温度：90-150℃；时间：10-24h；真空度：低压≤1000Pa；极片测试水分：水分值≤350ppm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：在步骤S4中，通过机械手放置于托盘内，托盘上设有定位柱，对卷芯进行定位；采用机械手将整个托盘浸没在注液腔室的电解液里，开启真空设备，通过真空管道把注液腔室内环境变为真空状态；
注液完成后，将托盘取出，通过机械手夹取电池壳对浸润注液后卷芯进行卷芯入壳处理，含有卷芯的外壳进行辊槽、再与盖板进行连接装配。
10.根据权利要求1-8任一项所述的柱形锂离子电池制造工艺，其特征在于：在步骤S6中，预充过程中，充电电流0.02-1C，温度20-60℃，电压小于电芯上限电压；老化的过程中，电池剩余电量百分比为10-100％，温度20-50℃，时间7-30天；化成分容是进行容量、内阻的测试。
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