CN112736275A - 卷绕设备及正极极片处理方法 - Google Patents

卷绕设备及正极极片处理方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种卷绕设备及正极极片处理方法。该卷绕设备包括：固定件；第一辊压件，沿第一方向与固定件连接；第二辊压件，沿第一方向与固定件连接；其中，第一辊压件的表面设有第一凸起部，第二辊压件的表面设有第二凸起部。本申请通过上述卷绕设备的第一辊压件和第二辊压件对正极极片进行两次辊压处理分别产生第一凹部和第二凹部，第二凹部的位置与第一凹部的位置对应，从而扩大了正极极片凹部的凹陷范围，提高了无涂覆层隔离膜与正负极极片的贴合度，为负极极片在循环过程中提供了膨胀空间，从而改善了负极极片的界面状态，并提高了电芯的电化学性能。

Description

卷绕设备及正极极片处理方法
技术领域
本申请涉及电芯领域，尤其涉及一种卷绕设备及正极极片处理方法。
背景技术
目前，随着新能源行业的发展，储能电池被广泛的应用。
在相关技术中，出于成本的考虑，储能电池所选用的原材料和其他锂电池的原材料有所区别，例如：在隔离膜材料的选择上，储能电池通常采用成本更低的无涂覆层PP隔离膜。然而，与带涂覆层的隔离膜相比，无涂覆层的隔离膜在完成电芯卷绕工序后，隔离膜与正极极片、负极极片之间无法紧密贴合。在电芯进行充电和放电的过程中，电芯正负极极片发生体积膨胀，未紧密贴合的正负极极片会造成电芯整体呈波浪状。无涂覆层的隔离膜与正负极极片分离，正极极片与负极极片间距变大，导致负极极片的界面状态变差，例如：负极极片上的部分区域出现析锂、黑斑等现象，从而对电芯的性能造成影响。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种卷绕设备及正极极片处理方法，能够改善负极极片的界面状态，并提高电芯的电化学性能。
根据本申请的第一方面实施例的卷绕设备，包括：固定件；第一辊压件，沿第一方向与所述固定件连接；第二辊压件，沿所述第一方向与所述固定件连接；其中，所述第一辊压件的表面设有第一凸起部，所述第二辊压件的表面设有第二凸起部。
根据本申请实施例的卷绕设备，至少具有如下有益效果：通过第一辊压件和第二辊压件对正极极片进行两次辊压，使正极极片表面产生凹部，提高了无涂覆层隔离膜与正负极极片的贴合度，为负极极片在循环过程中提供了膨胀空间，从而改善了负极极片的界面状态，并提高了电芯的电化学性能。
根据本申请的一些实施例，还包括：第一支撑件，沿所述第一方向与所述固定件连接，且与所述第一辊压件对应；第二支撑件，沿所述第一方向与所述固定件连接，且与所述第二辊压件对应。
根据本申请的一些实施例，所述第一凸起部的表面积小于所述第二凸起部的表面积。
根据本申请的一些实施例，所述第一凸起部的高度小于所述第二凸起部的高度。
根据本申请的一些实施例，所述第一凸起部的高度为0.8mm；所述第二凸起部的高度为1.2mm。
根据本申请的第二方面实施例的正极极片处理方法，应用于第一方面任一实施例所述的卷绕设备，其特征在于，包括：对所述正极极片进行第一辊压处理，以使所述正极极片的表面产生第一凹部；对所述正极极片进行第二辊压处理，以使所述正极极片的表面产生第二凹部；其中，所述第二凹部的位置与所述第一凹部的位置对应。
根据本申请实施例的正极极片处理方法，至少具有如下有益效果：通过对正极极片进行第一辊压处理和第二辊压处理，使正极极片表面产生凹部，提高了无涂覆层隔离膜与正负极极片的贴合度，为负极极片在循环过程中提供了膨胀空间，从而改善了负极极片的界面状态，并提高了电芯的电化学性能。
根据本申请的一些实施例，所述对所述正极极片进行第一辊压处理，具体包括：控制所述第一辊压件对所述正极极片的表面施加第一压力。
根据本申请的一些实施例，所述对所述正极极片进行第二辊压处理，具体包括：控制所述第二辊压件对所述正极极片的表面施加第二压力。
根据本申请的一些实施例，所述第一压力小于等于所述第二压力。
根据本申请的一些实施例，所述第一压力的取值范围包括：0Mpa＜第一压力值≤0.05Mpa；所述第二压力的取值范围包括：0Mpa＜第二压力值≤0.15Mpa。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：
图1为本申请卷绕设备的一具体实施例的俯视图；
图2为本申请卷绕设备的一具体实施例的正视图；
图3为本申请正极极片处理方法的一具体实施例的流程图；
图4为本申请正极极片经过第一辊压处理的一具体实施例的截面图；
图5为本申请膜片内阻测试的一具体实施例的测试结果示意图；
图6为本申请剥离强度测试的一具体实施例的测试结果示意图；
图7为本申请循环测试的一具体实施例的测试结果示意图。
附图标记：
固定件100、第一辊压件200、第一凸起部210、第二辊压件300、第二凸起部310、第一支撑件400、第一凹部500。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。
本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图1，本申请实施例提供了一种卷绕设备。该卷绕设备包括：固定件100、第一辊压件200和第二辊压件300。其中，第一辊压件200沿第一方向与固定件100连接，第二辊压件300也沿第一方向与固定件100连接。第一辊压件200的表面设有第一凸起部210，第二辊压件300的表面设有第二凸起部310。具体地，第一辊压件200和第二辊压件300的中间均为金属材质，该金属材质的外部包裹着由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)和聚苯乙烯(PS)等材料构成的物质，以防止极片在辊压时受到损坏。第一辊压件200和第二辊压件300分别沿同一方向设置，例如：沿固定件100的水平方向(参照图1中的左右方向)。第一辊压件200和第二辊压件300上分别设置了多个均匀分布的凸起部。当卷绕设备控制第一辊压件200和第二辊压件300分别沿第二方向(参照图1中的上下方向)运动时，第一辊压件200的第一凸起部210对正极极片的表面施加压力，使得正极极片表面产生凹部。正极极片经过第一辊压件200向第二辊压件300移动，调整第二辊压件300的位置，使第二凸起部310与正极极片表面的凹部对应，第二凸起部310对该对应的凹部施加压力，以扩大凹部的凹陷范围。可以理解的是，第一辊压件200、第二辊压件300、第一凸起部210、第二凸起部310的形状和大小等可根据实际需要进行适应性调整，本申请实例不作具体限制。
本申请实施例提供的卷绕设备通过第一辊压件200和第二辊压件300对正极极片进行两次辊压，使正极极片表面产生凹部，提高了无涂覆层隔离膜与正负极极片的贴合度，为负极极片在循环过程中提供了膨胀空间，从而改善了负极极片的界面状态，并提高了电芯的电化学性能。
参照图1和图2，在一些实施例中，卷绕设备还包括：第一支撑件400和第二支撑件(图中未示出)。第一支撑件400沿第一方向与固定件100连接，且与第一辊压件200对应。第二支撑件沿第一方向与固定件100连接，且与第二辊压件300对应。具体地，第一支撑件400和第二支撑件沿同一方向设置，例如：沿固定件100的水平方向(参照图2中的左右方向)。第一支撑件400和第二支撑件分别与第一辊压件200、第二辊压件300对应设置，例如：当第一辊压件200和第二辊压件300均设置于固定件100的上方时，第一支撑件400设置于第一辊压件200的下方，第二支撑件设置于第二辊压件300的下方，以分别为第一辊压件200、第二辊压件300的辊压提供支撑。其中，第一辊压件200与第一支撑件400、第二辊压件300与第二支撑件之间均包括一定的间隙，以使得正极极片能够通过。可以理解的是，该间隙的范围可以根据实际需要进行适应性调整，本申请实施例不作具体限制。
请再次参照图1，在一些实例中，第一凸起部210的表面积小于第二凸起部310的表面积。具体地，第一凸起部210的凸起表面积小于第二凸起部310的凸起表面积，以扩大正极极片经过第一辊压件200后产生的凹部的凹陷范围，进而提高无涂覆层隔离膜与该正负极极片的贴合度。
在一些实施例中，第一凸起部210的高度小于第二凸起部310的高度。具体地，第一凸起部210的凸起高度小于第二凸起部310的凸起高度，以增大正极极片经过第一辊压件200后产生的凹部的凹陷深度，进而提高无涂覆层隔离膜与该正负极极片的贴合度。
在一些实施例中，第一凸起部210的高度为0.8mm，第二凸起部310的高度为1.2mm。具体地，通过改变第一辊压件200和第二辊压件300对正极极片所施加的压力值，使得正极极片经过第一辊压件200后表面形成深度为0至5μm的凹部，经过第二辊压件300后表面形成深度为0至35μm的凹部，从而增大正极极片表面凹部的凹陷深度。可以理解的是，第一凸起部210的高度和第二凸起部310的高度还可以根据实际需要进行适应性调整。
参照图3，本申请提供了一种正极极片处理方法，应用于上述任一实施例所描述的卷绕设备。该正极极片处理方法包括步骤：S100、对正极极片进行第一辊压处理，以使正极极片的表面产生第一凹部500；S200、对正极极片进行第二辊压处理，以使正极极片的表面产生第二凹部。其中，第二凹部的位置与第一凹部500的位置对应。
其中，参照图4，步骤S100、对正极极片进行第一辊压处理，以使正极极片的表面产生第一凹部500的一具体实施方式为：将待卷绕的正极极片、负极极片和无涂覆层隔离膜分别放置在卷绕设备上，其中，正极极片需穿设于第一辊压件200和第一支撑件400的间隙中。第一辊压件200对正极极片的表面进行辊压，使得正极极片的表面产生与第一凸起部210对应的第一凹部500。
步骤S200、对正极极片进行第二辊压处理，以使正极极片的表面产生第二凹部的一具体实施方式为：正极极片通过第一辊压件200向第二辊压件300的方向移动，调整第二辊压件300的位置，使得第二辊压件300在正极极片表面产生的第二凹部与第一凹部500对应重合，即通过第二辊压件300的辊压扩大第一凹部500的凹陷范围。
本申请实施例提供的正极极片处理方法通过卷绕设备对正极极片进行两次辊压，使正极极片表面产生凹部，提高了无涂覆层隔离膜与正负极极片的贴合度，为负极极片在循环过程中提供了膨胀空间，从而改善了负极极片的界面状态，并提高了电芯的电化学性能。
在一些实施例中，对正极极片进行第一辊压处理的一具体实施方式为：控制第一辊压件200对正极极片的表面施加第一压力。具体地，卷绕设备控制第一辊压件200向第一支撑件400的方向施加第一压力，以使正极极片表面受到第一凸起部210和第一支撑件400的挤压而产生第一凹部500。可以理解的是，第一压力的取值可根据实际需要进行适应性选取。
在一些实例中，对正极极片进行第二辊压处理的一具体实施方式为：控制第二辊压件300对正极极片的表面施加第二压力。具体地，卷绕设备控制第二辊压件300向第二支撑件的方向施加第二压力，以使正极极片表面受到第二凸起部310和第二支撑件的挤压而产生第二凹部。此时，通过调整第二辊压件300的位置，使得第二凹部与第一凹部500对应重合，以扩大第一凹部500的凹陷范围。
在一些实例中，第一压力小于等于第二压力。具体地，第一辊压件200对正极极片表面施加的压力小于等于第二辊压件300施加的压力，以增加第二凸起部的范围和深度，从而扩大正极极片表面的凹陷效果。
在一些实例中，第一压力的取值范围包括：0Mpa＜第一压力值≤0.05Mpa，第二压力的取值范围包括：0Mpa＜第二压力值≤0.15Mpa，但应保证选择的第一压力的取值小于等于第二压力的取值。可以理解的是，第一压力的取值范围和第二压力的取值范围还可以根据实际需要进行适应性调整。
在一个具体的实例中，以磷酸铁锂作为正极材料，石墨作为负极材料，将制备好的正负极浆料通过挤压涂布设备涂覆在箔材上。涂布完成的正极极片和负极极片分别经过模切、分条等工序，以制备出待卷绕的正极极片和负极极片。将待卷绕的正极极片放置于第一辊压件200与第一支撑件400的间隙中，卷绕设备控制第一辊压件200向正极极片施加第一压力，以在正极极片的表面形成第一凹部500。第二辊压件300对经过第一辊压处理的正极极片进行第二辊压处理，以在正极极片的表面形成第二凹部，并且第二凹部与第一凹部500对应重合，从而提高正极极片凹部的凹陷效果。经过第一辊压件200和第二辊压件300处理后的正极极片，在卷绕的过程中电芯极耳处不易撕裂，正极极片的凹部反弹减小，并且电芯热压整形后正极极片上的凹部会更加明显。
在一些实施例中，通过制作A、B、C三种不同的卷芯，以对上述各实施例描述的正极极片处理方法所取得的效果进行具体说明。首先，通过卷绕设备制作出正极极片表面无凹部的卷芯A，并通过上述各实施例描述的卷绕设备制作出先经过第一压力值为0.05Mpa的第一辊压件200辊压，再经过第二压力值为0.05Mpa的第二辊压件300辊压的卷芯B；和先经过第一压力值为0.05Mpa的第一辊压件200辊压，再经过第二压力值为0.15Mpa的第二辊压件300辊压的卷芯C。其中，压力值表示第一辊压件200或第二辊压件300对对应卷芯的正极极片所施加的压力取值。参照图5和图6，分别对A、B、C三种卷芯的正极极片进行膜片电阻及剥离强度进行测试。由图5和图6可知，三种卷芯正极极片的膜片电阻和剥离强度未出现显著变化，即上述正极极片的处理方法不会影响电芯的其他机械性能。其中，A卷芯的膜片内阻为0.51Ω，B卷芯的膜片内阻为0.49Ω，C卷芯的膜片内阻为0.51Ω。用游标卡尺分别测量A、B、C三种卷芯的纵向厚度分布情况，测量结果如下表1所示。
表1：
Figure BDA0002895386190000061
其中，位置1、位置2、位置3和位置4分别为在卷芯上沿卷芯高度方向依次选择的4个测量点，位置1为最靠近卷芯极耳的测量点。由表1可知，经过第一辊压处理和第二辊压处理的正极极片对应的卷芯各位置的厚度差异小于未经辊压处理的卷芯各位置的厚度差异。其中，卷芯各位置的厚度差异(极值差异，即位置1与位置4的厚度差异)越大，表明卷芯的波浪边越严重，对应的电芯电化学性能也越差。因此，在A、B、C三种卷芯中，C卷芯对应的电芯电化学性能最好。可以理解的是，卷芯波浪边的改善，减少了由于波浪边造成卷芯掉粉的现象。并且，两次辊压过程可以对正极极片模切后的底部区域进行整形，以降低该区域掉粉的现象，从而降低正负极接触的风险。
将A、B、C三种卷芯配对后，进行入壳、焊接、烘烤等工序，以分别得到A电芯、B电芯和C电芯。将A电芯、B电芯和C电芯在同一设备上分别注入相同重量的电解液，在不改变注液压力的情况下，各电芯完成注液所消耗的时间如下表2所示。
表2：
组别 注液时间/s
A 1080
B 990
C 900
由表2可知，正极极片经过第一辊压处理和第二辊压处理增加凹部后，完成注液所消耗的时间比未处理的电芯注液时间短。若通过增加注液压力来保证注液时间，较大的注液压力则会造成铝壳表面出现不可逆凹陷，将会影响电芯表面的平整度。若减少电芯注液量，则电芯的电化学性能将无法保证。因此，本申请实施例提供的卷绕设备及正极极片处理方法还能够在不增大注液压力和降低原有注液量的前提下，缩短电芯的注液时间。
在一些实施例中，将A电芯、B电芯和C电芯分别充满至3.65V后拆解。通过观察负极极片的界面状态可得，A电芯的负极极片界面褶皱严重，部分区域出现黑斑；B电芯的负极极片界面褶皱，但较A电芯褶皱情况减轻；C电芯的负极极片界面几乎无褶皱。因此，通过将正极极片经过第一辊压处理和第二辊压处理后，与该正极极片对应的负极极片的界面褶皱情况得到缓解。
参照图7，将A电芯、B电芯和C电芯分别进行循环测试，循环测试是在常温下以1C/1C的测试参数进行恒流充放电，测试电压的范围为2.5V至3.65V。由图7可得，经第一辊压处理和第二辊压处理的正极极片对应的电芯C，在后期循环中，其循环性能优于未经处理的正极极片对应的电芯。因此，本申请实施例提供的卷绕设备及正极极片处理方法还可以延长电芯的循环圈数，从而延长电芯的使用寿命。
本申请实施例提供的卷绕设备及正极极片处理方法通过对电芯的正极极片进行第一辊压处理和第二辊压处理，增加并扩大了正极极片的凹部区域，从而提高了电芯的电化学性能，并改善了负极极片的界面状态。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.卷绕设备，应用于电芯的正极极片，其特征在于，包括：
固定件；
第一辊压件，沿第一方向与所述固定件连接；
第二辊压件，沿所述第一方向与所述固定件连接；
其中，所述第一辊压件的表面设有第一凸起部，所述第二辊压件的表面设有第二凸起部。
2.根据权利要求1所述的卷绕设备，其特征在于，还包括：
第一支撑件，沿所述第一方向与所述固定件连接，且与所述第一辊压件对应；
第二支撑件，沿所述第一方向与所述固定件连接，且与所述第二辊压件对应。
3.根据权利要求1或2所述的卷绕设备，其特征在于，所述第一凸起部的表面积小于所述第二凸起部的表面积。
4.根据权利要求3所述的卷绕设备，其特征在于，所述第一凸起部的高度小于所述第二凸起部的高度。
5.根据权利要求4所述的卷绕设备，其特征在于，所述第一凸起部的高度为0.8mm；
所述第二凸起部的高度为1.2mm。
6.正极极片处理方法，应用于如权利要求1至5任一项所述的卷绕设备，其特征在于，包括：
对所述正极极片进行第一辊压处理，以使所述正极极片的表面产生第一凹部；
对所述正极极片进行第二辊压处理，以使所述正极极片的表面产生第二凹部；
其中，所述第二凹部的位置与所述第一凹部的位置对应。
7.根据权利要求6所述的正极极片处理方法，其特征在于，所述对所述正极极片进行第一辊压处理，具体包括：
控制所述第一辊压件对所述正极极片的表面施加第一压力。
8.根据权利要求7所述的正极极片处理方法，其特征在于，所述对所述正极极片进行第二辊压处理，具体包括：
控制所述第二辊压件对所述正极极片的表面施加第二压力。
9.根据权利要求8所述的正极极片处理方法，其特征在于，所述第一压力小于等于所述第二压力。
10.根据权利要求9所述的正极极片处理方法，其特征在于，所述第一压力的取值范围包括：0Mpa＜第一压力值≤0.05Mpa；
所述第二压力的取值范围包括：0Mpa＜第二压力值≤0.15Mpa。
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