CN113451660A - 一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，属于锂离子电池技术领域。在实施时，首先制作正负极锂离子极片；激光模切按预定的设计尺寸进行切割；将正负极极片及隔膜按卷绕规则卷绕成卷芯，卷芯的极耳按四股错位分布；通过热压整形获得具备一定刚性的卷芯。随后，根据重量进行配对形成P‑cell。通过偏心预焊，固定极耳，调整P‑cell极耳位置。2个P‑cell与多个转接片成“非”字形焊接。随后，转接片与盖板进行激光焊接；2各P‑cell极耳内折并贴合形成M‑cell，表面包裹绝缘膜。最后入壳进行焊接组成半成品电池。本发明将卷绕装配工艺和叠片装配工艺结合，具备两者优点的同时又避免了缺陷。

Description

一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法
技术领域
本发明涉及一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
现有技术下，锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、充放电倍率高等优点，被广泛应用于动力及储能等领域。电芯结构通常包括正极、负极、隔膜；这三者通过叠片或卷绕等方式组合成卷芯；一个或多个卷芯并在一起形成电芯。叠片组合装配工艺因极耳数量多，具有内阻低、电流密度分布均匀等优点；但受制于超声波焊接极限能力（一般不超过80层）及折极耳内应力影响，电芯厚度提升空间有限，很难制作出大容量电芯及高体积能量密度电芯；同时，生产效率较低；多极耳卷绕装配工艺生产效率高，克服了叠片装配工艺的缺点；但因极耳数量较叠片工艺少一半；其内阻增大；导热导流能力差；电芯工作时内部电流密度分布不均匀。
例如专利公开号为CN101083342B的中国发明专利公开了一种卷绕式软包装锂离子电池的电池单元，所述电池单元由正、负极片及隔膜卷绕成卷绕体，正极片与负极片的卷绕起始端分别设有极耳连接区，所述正极片与负极片中，至少一个极片的卷绕起始端部与极耳连接区之间还设有定位区。
上述发明还公开了包括该电池单元的电池以及该电池单元及电池的制备方法，它通过在极耳连接区与极片末端之间设置定位区，从而能够通过设定定位区的宽度来方便、精确地预先设定电池单元上正、负极耳之间的距离，解决了极耳间距难以控制的问题。
但是，该卷绕式软包装锂离子电池的电池单元，因极耳数量较叠片工艺少，同样会产生其内阻增大，导热导流能力不好的问题。
因此，为解决上述背景问题，研发一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法是迫在眉睫的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景问题中提出的问题，提供一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，它能解决电芯内阻高、生产效率低、导热导流能力差，极片电流密度分布不均匀、单体容量低等缺点；尤其适合“类似刀片或半刀片”大容量电芯装配。
本发明的目的是这样实现的：一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，包括以下步骤：
步骤一：合浆，将正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂按比例混合分散均匀形成正极浆料；将负极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂按比例混合分散均匀形成负极浆料；
步骤二：涂布，将正负极浆料均匀涂覆在箔材上，烘干后分别制成正极片和负极片；
步骤三：辊压，通过辊压机对正负极片进一步压实，使活性物与导电剂及基材结合更紧密，同时保证一定的孔隙率；
步骤四：激光模切及分切，激光通过振镜扫描方式对正负极留白区进行切割，形成高密度分布的梯形极耳；
步骤五：卷绕，正负极片及隔膜在卷针的带动下顺时针或逆时针旋转形成卷芯，逆时针方向旋转卷芯为A卷芯，顺时针方向旋转卷芯为B卷芯；
步骤六：预热及热压，通过高温高压方式对卷芯进行压合，使隔膜与正极，隔膜与负极紧紧贴合在一起，形成有一定刚性的卷芯；
步骤七：称重配对，分别对逆时针及顺时针制作的卷芯称重，分为多档A卷芯和多档B卷芯，并将对应的A卷芯与B卷芯配对贴胶组合成P-cell；
步骤八：P-cell极耳预焊裁切，将每一组极耳预焊在一起并裁切整齐，记背靠背的极耳组为极耳一，面对面的极耳组为极耳二，分别有正极极耳一，正极极耳二，负极极耳二，负极极耳一；
步骤九：超声波焊接，将两个P-cell电芯的四对极耳分别与四个“U”转接片超声焊接；
步骤十：转接片激光焊，带4个“U”转接片的P-cell卷芯与电池盖板配对，“U”转接片底部的凸台嵌入电池盖板极柱底部凹槽，通过激光穿透焊对转接片与电池极柱进行焊接，形成“非”字形结构；
步骤十一：合芯，将“非”字分布的2个P-cell与多个转接片向内折，并用胶带进行捆绑，形成目标电芯M-cell；
步骤十二：包膜，在目标电芯M-cell外部包裹绝缘层；
步骤十三：入壳预焊，包裹好的M-cell水平推入铝壳内部，将盖板与铝壳边缘拍齐，并用激光点焊，将盖板与铝壳固定；
步骤十四：顶盖全焊，即预焊完成后，利用激光对铝壳与盖板的缝隙进行全焊操作。
所述步骤一中正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的质量比为52~59.5:1.0~1.5:1.5~2.0:38~44.5；
所述步骤一中负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的质量比为46~55:0.4~0.7:1.3~1.6:42~52。
所述步骤二中的采用的涂布方式为连续“斑马”式涂布。
所述步骤四中的激光模切，正极切割面为铝箔或陶瓷面；负极切割面为活性物质敷料面；
所述梯形极耳的中心距分布均匀，相邻间距之比P满足1/3≤P≤1。
所述步骤五中的卷绕采用叠片式卷绕的方式；
正极每一圈分布2个极耳，正极每一圈的2个极耳之间保持间距并位于异侧分布；
负极每一圈分布2个极耳，负极每一圈的2个极耳之间保持间距并位于异侧分布；
卷绕过程中采用隔膜为单面或双面涂胶隔膜。
所述步骤九中的四个“U”形转接片分别包括2个与正极极耳相连的铝合金材质转接片和2个与负极极耳相连的铜合金材质转接片；
2个正极的“U”形转接片和2个负极的“U” 形转接片以背靠背的方式排布。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，继承了卷绕工艺生产效率高的优点，还同时克服了多极耳卷绕工艺极耳少带来的导热导流能差的缺点；突破了叠片装配工艺因极耳集中带来超声波焊接能力极限问题；可以实现多卷芯并联，便于制作大容量电芯；电芯的极耳的数量增多，且分布均匀；更有利于正负极工作电流密度的匹配及极片工作电流分布均匀；为制作“刀片或类刀片”电池装配提供了更好的解决方案。
附图说明
图1为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的流程示意图。
图2为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的步骤二连续斑马涂布示意图。
图3为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的步骤四模切极耳分布示意图。
图4为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的步骤五叠片式卷绕示意图。
图5为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的步骤七的P-cell示意图。
图6为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的步骤八的极耳组“偏心”焊示意图。
图7为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的步骤九的“U”形转接片分布示意图。
图8为本发明的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法的M-cell与盖板焊接示意图。
其中：1、正极；2、负极；3、隔膜；4、卷针。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
如图1~8所示，一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，包括以下步骤：
步骤一：合浆，将正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂按比例混合分散均匀形成正极浆料；将负极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂按比例混合分散均匀形成负极浆料；
在本实施例中，上述步骤一中正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的质量比为57:1.2:1.8:40；负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的质量比为50.5:0.53:1.97:47.0。
步骤二：涂布，将正负极浆料均匀涂覆在箔材上，烘干后分别制成正极片和负极片；
在本实施例中，示例性的，上述步骤二中涂布方式可以是逗号辊转移式涂布或狭缝挤压式涂布。
步骤三：辊压，通过辊压机对正负极片进一步压实，使活性物与导电剂及基材结合更紧密，同时保证一定的孔隙率；
在本实施例中，示例性的，可以通过调节辊压机的压力及辊缝间隙对极片进行加工获得设计目标厚度。
步骤四：激光模切及分切，激光通过振镜扫描方式对正负极留白区进行切割，形成高密度分布的梯形极耳；
在本实施例中，在上述步骤四中按极柱中心距设计及卷绕方式设计的尺寸形成一系列高密度分布的梯形极耳，这样能使得极耳能尽可能均匀分布。
在本实施例中，在上述步骤四中极耳中心距设计根据极柱中心距及卷绕方式预先设计，极耳中心距尽可能分布、均匀，相邻间距之比P满足“1/3≤P≤1”；优选相邻间距之比P区取1/2，这样2个极柱距离相对较近，有利于电池盖板功能元器件排布设计。
步骤五：卷绕，正负极片及隔膜3在卷针4的带动下顺时针或逆时针旋转形成卷芯，逆时针方向旋转卷芯为A卷芯，顺时针方向旋转卷芯为B卷芯；
在本实施例中，在上述步骤五中卷针4可以是圆形的，也可以是椭圆形的，也可以是菱形的；卷绕原则可以是隔膜3先入料卷1.5圈，正负极同时入料；也可以是隔膜3先入料卷绕卷1.5圈，负极入料圈0.5圈，再入正极。
在本实施例中，在上述步骤五中的卷绕为叠片式卷绕，正极每一圈分布2个极耳；负极每一圈分布2个极耳；正极每一圈的2个极耳保持一定间距并异侧分布；负极每一圈的2个极耳保持一定间距并异侧分布；所用的隔膜3为单面或双面涂胶隔膜；上述4个极耳之间的间距是电芯长度方向的5等分距离，这样有利于极耳分布更加均匀；涂胶隔膜采用单面陶瓷双面涂胶隔膜。
步骤六：预热及热压，通过高温高压方式对卷芯进行压合，使隔膜3与正极1，隔膜3与负极2紧紧贴合在一起，形成卷芯；
在本实施例中，在上述步骤六中形成的卷芯有一定刚性，可以有效防止长卷芯在装配搬运过程中产生极片错位及卷芯弯曲变形等现象，更有利于电芯的装配。
步骤七：称重配对，分别对逆时针及顺时针制作的卷芯称重，分为多档A卷芯和多档B卷芯，并将对应的A卷芯与B卷芯配对贴胶组合成P-cell；
在本实施例中，在上述步骤七中所述称重是将来料合格卷芯按重量分成3挡，分别表示为“1档、2档、3档”，配对时，A卷芯第1档与B卷芯第3档组合，A卷芯第3档与B卷芯第1档组合；A卷芯第2档与B卷芯第2档组合；优选的，利用蒙特卡诺统计分析方法，对电芯重量进行分档，其中均值附近1.5σ范围内即μ±1.5σ为2档，[μ-3σ，μ-1.5σ]为第1挡，[μ+1.5σ，μ+3σ]为第档，这样有利于大电芯绝对容量一致性提高。
步骤八：P-cell极耳预焊裁切，将每一组极耳预焊在一起并裁切整齐，记背靠背的极耳组为极耳一，面对面的极耳组为极耳二，分别有正极极耳一，正极极耳二，负极极耳二，负极极耳一；
在本实施例中，在上述步骤八中的焊接方式可以是超声波焊，也可以是热压，也可以是电阻焊。
步骤九：超声波焊接，将两个P-cell电芯的四对极耳分别与四个“U”转接片超声焊接；
在本实施例中，在上述步骤九中超声波焊接时表面可以加保护片，也可以不加保护片；焊接完成后贴胶对焊印进行保护；
在本实施例中，在上述步骤九中4个“U”形转接片，2个是铝合金材质，与正极极耳相连；2个是铜合金材质，与负极极耳相连；2个正极“U”转接片及2个负极“U”转接片以背靠背的方式排布；优选地，正极转接片和负极转接片以防爆阀为中心对称分布，通极性内部转接片背靠背方式分布。
步骤十：转接片激光焊，带4个“U”转接片的P-cell卷芯与电池盖板配对，“U”转接片底部的凸台嵌入电池盖板极柱底部凹槽，通过激光穿透焊对转接片与电池极柱进行焊接，形成“非”字形结构；
在本实施例中，在上述步骤十中焊接后对焊印位置点胶，防止金属颗粒脱落。
步骤十一：合芯，将“非”字分布的2个P-cell与多个转接片向内折，并用胶带进行捆绑，形成目标电芯M-cell；
步骤十二：包膜，在目标电芯M-cell外部包裹绝缘层；
在本实施例中，在上述步骤十二中包膜方式可以通过Mylar热熔等方式来实现，也可以通过贴大面胶来实现。
步骤十三：入壳预焊，包裹好的M-cell水平推入铝壳内部，将盖板与铝壳边缘拍齐，并用激光点焊，将盖板与铝壳固定；
步骤十四：顶盖全焊，即预焊完成后，利用激光对铝壳与盖板的缝隙进行全焊操作。
在本实施例中，在上述步骤十四中激光焊类型可以选择连续激光、也可以是复合激光、也可以环形光斑激光。
在本实施例中，本发明一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法在实施时，首先制作正负极锂离子极片；随后同过激光模切按预定的设计尺寸进行切割；再将正负极极片及隔膜3按卷绕规则卷绕成卷芯，卷芯的极耳按四股错位分布；然后通过热压整形获得由一定刚性的卷芯。随后，根据重量进行配对形成P-cell。随后通过偏心预焊，固定极耳，调整P-cell极耳位置。随后2个P-cell与多个转接片成“非”字形焊接。随后，转接片与盖板进行激光焊接。随后，2各P-cell极耳内折并贴合形成M-cell，表面包裹绝缘膜。最后入壳进行焊接组成半成品电池。本发明将卷绕装配工艺和叠片装配工艺结合，具备两者优点的同时又避免了缺陷。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：合浆，将正极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂按比例混合分散均匀形成正极浆料；将负极活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂按比例混合分散均匀形成负极浆料；
步骤二：涂布，将正负极浆料均匀涂覆在箔材上，烘干后分别制成正极片和负极片；
步骤三：辊压，通过辊压机对正负极片进一步压实，使活性物与导电剂及基材结合更紧密，同时保证孔隙率；
步骤四：激光模切及分切，激光通过振镜扫描方式对正负极留白区进行切割，形成高密度分布的梯形极耳；
步骤五：卷绕，正负极片及隔膜在卷针的带动下顺时针或逆时针旋转形成卷芯，逆时针方向旋转卷芯为A卷芯，顺时针方向旋转卷芯为B卷芯；
步骤六：预热及热压，通过高温高压方式对卷芯进行压合，使隔膜与正极，隔膜与负极紧紧贴合在一起，形成卷芯；
步骤七：称重配对，分别对逆时针及顺时针制作的卷芯称重，分为多档A卷芯和多档B卷芯，并将对应的A卷芯与B卷芯配对贴胶组合成P-cell；
步骤八：P-cell极耳预焊裁切，将每一组极耳预焊在一起并裁切整齐，记背靠背的极耳组为极耳一，面对面的极耳组为极耳二，分别有正极极耳一，正极极耳二，负极极耳二，负极极耳一；
步骤九：超声波焊接，将两个P-cell电芯的四对极耳分别与四个“U”转接片超声焊接；
步骤十：转接片激光焊，带4个“U”转接片的P-cell卷芯与电池盖板配对，“U”转接片底部的凸台嵌入电池盖板极柱底部凹槽，通过激光穿透焊对转接片与电池极柱进行焊接，形成“非”字形结构；
步骤十一：合芯，将“非”字分布的2个P-cell与多个转接片向内折，并用胶带进行捆绑，形成目标电芯M-cell；
步骤十二：包膜，在目标电芯M-cell外部包裹绝缘层；
步骤十三：入壳预焊，包裹好的M-cell水平推入铝壳内部，将盖板与铝壳边缘拍齐，并用激光点焊，将盖板与铝壳固定；
步骤十四：顶盖全焊，即预焊完成后，利用激光对铝壳与盖板的缝隙进行全焊操作。
2.根据权利要求1所述的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：所述步骤一中正极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的质量比为52~59.5:1.0~1.5:1.5~2.0:38~44.5；
所述步骤一中负极活性物质、导电剂、粘结剂和溶剂的质量比为46~55:0.4~0.7:1.3~1.6:42~52。
3.根据权利要求1所述的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：所述步骤二中的采用的涂布方式为连续“斑马”式涂布。
4.根据权利要求1所述的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：所述步骤四中的激光模切，正极切割面为铝箔或陶瓷面；负极切割面为活性物质敷料面；
所述梯形极耳的中心距分布均匀，相邻间距之比P满足1/3≤P≤1。
5.根据权利要求1所述的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：所述步骤五中的卷绕采用叠片式卷绕的方式；
正极每一圈分布2个极耳，正极每一圈的2个极耳之间保持间距并位于异侧分布；
负极每一圈分布2个极耳，负极每一圈的2个极耳之间保持间距并位于异侧分布；
卷绕过程中采用隔膜为单面或双面涂胶隔膜。
6.根据权利要求5所述的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：所述极耳之间的间距是电芯长度方向的5等分距离。
7.根据权利要求1所述的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：所述步骤九中的四个“U”形转接片分别包括2个与正极极耳相连的铝合金材质转接片和2个与负极极耳相连的铜合金材质转接片。
8. 根据权利要求7所述的一种内双极柱叠片式卷绕电池装配方法，其特征在于：2个正极的“U”形转接片和2个负极的“U” 形转接片以背靠背的方式排布。
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