CN113782820B - 一种极片与极片袋叠合电芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极片与极片袋叠合电芯，包括极片袋及第二极片，极片袋包括第一极片及隔膜，隔膜包括二片，两隔膜分别水平覆盖在第一极片的上下表面，并通过热复合与第一极片表面粘合；隔膜水平延伸至第一极片的外沿，上下两侧隔膜的外沿部沿着第一极片的外轮廓向中部折弯并热复合粘结在一起，形成将第一极片包覆在内的密闭极片袋；上述极片袋与第二极片经CCD对位后，交错叠合制成电芯。本发明极片与极片袋对位叠合形成电芯，解决了隔膜起皱问题，保证了正负极片之间位置精度，将传统叠片的单隔膜对位工序简化掉，提高了叠片效率，且隔膜全包覆极片可阻断极片与电解液直接接触，减少了短路易燃情况，提高电池安全系数。

Description

一种极片与极片袋叠合电芯

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别指锂离子动力电池领域中的一种极片与极片袋叠合电芯。

背景技术

随着国家大力推动新能源发展，各行各业对锂离子动力电池的需求日益增长，锂离子动力电池的组成结构中电芯是其核心部件，电芯一般由正负极极片相互交错叠合而成。电芯组成结构包括上下交错叠合的多片正负极极片，正负极极片之间通过隔膜进行隔离绝缘。

目前电芯的制成工艺根据隔膜插入工艺不同包括带状叠片和单片叠两种方式，即叠片时采用连续的隔膜和单片隔膜叠片。对于带状叠片工艺，叠片时正负极极片轮换地放置在叠片平台上，带状的隔膜在叠片平台上方来回循环拉动，在正极极片或负极极片叠好后覆盖在正极极片或负极极片的表面，再将隔膜裁断；该种叠片方式，叠片过程中带状隔膜张紧并被来回拉动，内部存在应力，在裁断后隔膜表面会出现起皱等情况，影响电芯质量。对于单片叠工艺，叠片前先将隔膜裁断为单片结构，正负极极片叠放后将单片的隔膜叠放在正极极片或负极极片表面实现叠片，该种叠片工艺需要多次取隔膜叠隔膜，导致叠片效率低下，为保证每次叠片位置精度，叠合前还需对隔膜进行对位，叠片位置精度难以有效保证。

目前国内技术比较先进的锂电池设备主要掌握在国外设备供应商手中，相比于带状叠工艺和单片叠工艺，目前较为先进的是韩国LG公司的叠片设备，该设备采用的制成工艺将负极极片和正极极片同步向前直线传动，形成两条上下平行间隔的直线传送路径，同时对应地将两卷带状隔膜在负极极片传送路径下方及正负极传送路径之间，并将带状隔膜水平拉出，并连同正负极极片穿过上下间隔设置的热压滚轮之间，进行热复合后，沿水平方向相邻两极片之间的间隙将带状隔膜进行裁断，形成了由上至下依次为隔膜、负极极片、隔膜、正极极片的单元体，再将单元体通过CCD对位后逐次叠片形成电芯；该种制成工艺通过增加中间单元体的制成，将隔膜裁断前先热复合粘合在正负极极片的表面，在一定程度上解决了带状隔膜直接叠片存在的内部应力问题，同时，通过单元体叠片时CCD对位部分提升了对位精度。但是，该制成工艺在单元体制成工艺中，单元体的制成采用盲叠方式，即正负极极片同步直线传送并进行叠片，上下设置的正负极极片之间缺少对位，无法保证单元体内正负极极片精度，同时，目前的现状是如果对每片上下设置的正负极极片增加对位工序，则与现有的单片叠工艺耗时相同，同样需要消耗大量时间，无法保证叠片效率。另外，以上所有制成工艺的叠片完成后的电芯其正负极极片侧部均为开放式结构，由于叠合后的电芯外部周围填充电解液，该种开放式结构正极极片和负极极片的外沿均与外部周围的电解液接触，在实际使用过程中存在短路易燃的安全隐患。针对国内锂电行业及技术现状需要设计一种全新的电芯。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种采用上下隔膜形成极片全包覆的极片袋，通过极片与极片袋对位叠合形成电芯，解决了隔膜起皱问题，保证了正负极极片之间位置精度，制袋的过程中采用大于极片尺寸的隔膜将传统叠片的单隔膜对位工序简化掉，有效地提高了叠片效率，且隔膜全包覆一种极片的结构在电解液填充后利用隔膜袋阻断其内的极片与电解液直接接触，减少了短路易燃情况，提高了电池安全系数的极片与极片袋叠合电芯。

本发明采取的技术方案如下：一种极片与极片袋叠合电芯，包括极片袋及第二极片，其中，上述极片袋包括第一极片及隔膜，隔膜包括二片，两隔膜分别水平覆盖在第一极片的上下表面，并通过热复合与第一极片表面粘合；隔膜水平延伸至第一极片的外沿，形成外沿部，上下两侧隔膜的外沿部沿着第一极片的外轮廓向中部折弯并热复合粘结在一起，形成将第一极片包覆在内的密闭极片袋；上述极片袋与第二极片经CCD对位后，交错叠合制成电芯。

优选的，所述的隔膜在第一极片表面通过热压辊进行粘合。

优选的，所述的外沿部经粘合辊压紧，并绕第一极片的上表面或下表面向第一极片的中部折弯，上下两外沿部在第一极片外侧相互粘结一体。

优选的，所述的隔膜的外侧经热压辊朝第一极片中部折弯处形成易刺破部位。

优选的，所述的第一极片为负极极片，第二极片为正极极片，第一极片的侧边延伸至第二极片侧边的外侧。

优选的，所述的第二极片的外侧边与极片袋的易刺破部位形成间距，易刺破部位与第二极片不接触。

优选的，所述电芯外部填充电解液层，电解液层直接与第二极片接触，第一极片通过极片袋外部的隔膜与第二极片及电解液层绝缘隔离。

本发明的有益效果在于：

本发明针对现有技术存在的缺陷和不足自主研发设计了一种采用上下隔膜形成极片全包覆的极片袋，通过极片与极片袋对位叠合形成电芯，解决了隔膜起皱问题，保证了正负极极片之间位置精度，制袋的过程中采用大于极片尺寸的隔膜将传统叠片的单隔膜对位工序简化掉，有效地提高了叠片效率，且隔膜全包覆一种极片的结构在电解液填充后利用隔膜袋阻断其内的极片与电解液直接接触，减少了短路易燃情况，提高了电池安全系数的极片与极片袋叠合电芯。

本发明的电芯组成整体包括极片和极片袋2种组成单元，其中极片为单属性的单片极片，极片袋为三层结构，包括中部的极片层以及上下两侧的隔膜层，极片层与单片极片的属性相反，隔膜层通过热复合工艺粘合在极片层表面，且隔膜层的外侧延伸至极片层的外沿，并通过上下同步热辊压的方式沿着极片层的外轮廓向极片层中部延伸，上下两侧的隔膜层在位于极片层外侧的外沿部位相互粘合形成内部密闭的极片袋结构。极片袋在于单片极片通过CCD对位后叠合形成整体的电芯。

相比于韩国LG公司的电芯制成，本发明采用上述结构的极片袋替代LG公司由上至下依次为隔膜、负极极片、隔膜、正极极片的单元体，在极片袋制成过程中，因只涉及一种属性的极片制袋，因此无需正极极片与负极极片的对位；同时，本发明的制袋工艺，隔膜的尺寸大于极片的尺寸，才能使隔膜在水平面内可延伸至极片的外沿，并在外沿部出上下隔膜相互粘合，这样的工艺要求对隔膜的对位精度要求更低，无需专用的隔膜对位工序；这样在电芯整体制成过程中，仅需要在极片与极片袋叠合时进行CCD对位，有效地保证了叠片精度。

同时，通过极片袋制成一次形成三层结构，相比于传统电芯制成过程中，叠隔膜、叠负极极片、叠隔膜、叠正极极片，四次叠片工序；本发明仅需叠极片袋、叠正极极片两次叠片工序即可完成，在叠片制成段讲效率提升一倍，并可减少多次叠片累计的位置误差。

另外，本发明独创的极片带制成工艺，实现了对极片层的隔膜全包覆，相比于传统的极片侧部开放式电芯，本发明利用隔膜将电芯内一种极性的电芯完全包覆，在填充电解液后，直接与电芯外部电解液连通的仅有一种极性的极片，该种结构对极片带内部极片起到了保护和阻断作用，可有效避免电池使用过程中，因电芯内部不同极性的极片导通而出现短路、自燃情况，提高了电池使用的安全系数。

另外，针对目前负极极片的尺寸大于正极极片的情况，本发明优选使用负极极片作为极片袋内的制成极片，其原因在于，在制袋过程中，上下两层的隔膜在极片边沿从上下两侧沿着极片轮廓向极片中部热辊压时，可能出现因极片边角因辊压产生的对外反作用力将隔膜刺破使极片暴露在外。在极片与极片袋上下叠合过程中最终制成的电芯内部状态，正负极极片之间还是通过隔膜阻隔，且由于负极极片尺寸大于正极极片，负极极片外沿会延伸至正极极片外侧，这样在负极极片被隔膜包覆的边角处，叠片后与正极极片侧边具有间距，负极极片的边角位置与正极极片不会接触，避免因正负极极片接触导致的短路情况。

附图说明

图1为本发明实施例1中极片与极片袋叠合示意图之一。

图2为本发明实施例1中极片与极片袋叠合示意图之二。

图3为本发明实施例1电芯的组成剖视图。

图4为本发明实施例1极片袋示意图。

图5为本发明实施例2中极片与极片袋叠合示意图之一。

图6为本发明实施例2中极片与极片袋叠合示意图之二。

图7为本发明实施例2电芯的组成剖视图。

图8为本发明实施例2极片袋示意图。

图9为本发明极片袋制成及叠合的工艺制成示意图之一。

图10为本发明极片袋制成及叠合的工艺制成示意图之二。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如图1至图4所示，本发明采取的技术方案如下：一种极片与极片袋叠合电芯，包括极片袋及第二极片b，其中，上述极片袋包括第一极片a1及隔膜a2，隔膜a2包括二片，两隔膜a2分别水平覆盖在第一极片a1的上下表面，并通过热复合与第一极片a1表面粘合；隔膜a2水平延伸至第一极片a1的外沿，形成外沿部a3，上下两侧隔膜a2的外沿部a3沿着第一极片a1的外轮廓向中部折弯并热复合粘结在一起，形成将第一极片a1包覆在内的密闭极片袋；上述极片袋与第二极片b经CCD对位后，交错叠合制成电芯。

隔膜a2在第一极片a1表面通过热压辊进行粘合。

外沿部a3经粘合辊压紧，并绕第一极片a1的上表面或下表面向第一极片a1的中部折弯，上下两外沿部a3在第一极片a1外侧相互粘结一体。

隔膜a2的外侧经热压辊朝第一极片a1中部折弯处形成易刺破部位。

第一极片a1为负极极片，第二极片b为正极极片，第一极片a1的侧边延伸至第二极片b侧边的外侧。

第二极片b的外侧边与极片袋的易刺破部位形成间距，易刺破部位与第二极片b不接触。

电芯外部填充电解液层c，电解液层c直接与第二极片b接触，第一极片a1通过极片袋外部的隔膜a2与第二极片b及电解液层c绝缘隔离。

进一步，本发明设计了一种采用上下隔膜形成极片全包覆的极片袋，通过极片与极片袋对位叠合形成电芯，解决了隔膜起皱问题，保证了正负极极片之间位置精度，制袋的过程中采用大于极片尺寸的隔膜将传统叠片的单隔膜对位工序简化掉，有效地提高了叠片效率，且隔膜全包覆一种极片的结构在电解液填充后利用隔膜袋阻断其内的极片与电解液直接接触，减少了短路易燃情况，提高了电池安全系数的极片与极片袋叠合电芯。

本发明的电芯组成整体包括极片和极片袋2种组成单元，其中极片为单属性的单片极片，极片袋为三层结构，包括中部的极片层以及上下两侧的隔膜层，极片层与单片极片的属性相反，隔膜层通过热复合工艺粘合在极片层表面，且隔膜层的外侧延伸至极片层的外沿，并通过上下同步热辊压的方式沿着极片层的外轮廓向极片层中部延伸，上下两侧的隔膜层在位于极片层外侧的外沿部位相互粘合形成内部密闭的极片袋结构。极片袋在于单片极片通过CCD对位后叠合形成整体的电芯。

相比于韩国LG公司的电芯制成，本发明采用上述结构的极片袋替代LG公司由上至下依次为隔膜、负极极片、隔膜、正极极片的单元体，在极片袋制成过程中，因只涉及一种属性的极片制袋，因此无需正极极片与负极极片的对位；同时，本发明的制袋工艺，隔膜的尺寸大于极片的尺寸，才能使隔膜在水平面内可延伸至极片的外沿，并在外沿部出上下隔膜相互粘合，这样的工艺要求对隔膜的对位精度要求更低，无需专用的隔膜对位工序；这样在电芯整体制成过程中，仅需要在极片与极片袋叠合时进行CCD对位，有效地保证了叠片精度。

同时，通过极片袋制成一次形成三层结构，相比于传统电芯制成过程中，叠隔膜、叠负极极片、叠隔膜、叠正极极片，四次叠片工序；本发明仅需叠极片袋、叠正极极片两次叠片工序即可完成，在叠片制成段讲效率提升一倍，并可减少多次叠片累计的位置误差。

另外，本发明独创的极片带制成工艺，实现了对极片层的隔膜全包覆，相比于传统的极片侧部开放式电芯，本发明利用隔膜将电芯内一种极性的电芯完全包覆，在填充电解液后，直接与电芯外部电解液连通的仅有一种极性的极片，该种结构对极片带内部极片起到了保护和阻断作用，可有效避免电池使用过程中，因电芯内部不同极性的极片导通而出现短路、自燃情况，提高了电池使用的安全系数。

另外，针对目前负极极片的尺寸大于正极极片的情况，本发明优选使用负极极片作为极片袋内的制成极片，其原因在于，在制袋过程中，上下两层的隔膜在极片边沿从上下两侧沿着极片轮廓向极片中部热辊压时，可能出现因极片边角因辊压产生的对外反作用力将隔膜刺破使极片暴露在外。在极片与极片袋上下叠合过程中最终制成的电芯内部状态，正负极极片之间还是通过隔膜阻隔，且由于负极极片尺寸大于正极极片，负极极片外沿会延伸至正极极片外侧，这样在负极极片被隔膜包覆的边角处，叠片后与正极极片侧边具有间距，负极极片的边角位置与正极极片不会接触，避免因正负极极片接触导致的短路情况。

实施例2：如图5至图8所示，为本发明实施例2的示意图，本实施例将实施例1中极片袋内的极片由正极极片替换负极极片，在结构上极片袋仍然与实施例1相同，即由下而上依次为隔膜层、极片层和隔膜层，仅将极片层的极片属性替换为正极极片，对应地，叠合时的单极片为负极极片。由于正负极极片的尺寸不同，极片与极片袋经CCD对位后叠片时极片袋的侧部边角叠合后与负极极片的表面贴合连接，与负极极片直接接触，这样如果极片袋制成过程中极片袋边角部位的隔膜如果出现刺破等情况会导致正极极片和负极极片直接接触，导致短路。而实施例1采用负极极片作为极片袋的极片层时，叠片后极片袋的边角为悬空状态，即与正极极片表面不接触。相比于实施例1，本实施例在制成电芯的安全系数方面略低。

如图9、图10所示，为制成本发明电芯的制成生产线及制成工艺示意图。

如图9所示，本发明的制成生产线包括表面热复合件、隔膜保护组件、边沿热复合件、裁切机构9及CCD10，其中，上述表面热复合件设置于直线向前传输的单片状极片A1的两侧，并将带状的隔膜2热复合在单片状极片A1的正反两侧；上述隔膜保护组件设置于单片状极片A1的两侧，并将带状的保护膜4覆盖在隔膜外侧，以便保护隔膜2；上述边沿热复合件沿单片状极片A1传输方向设置于表面热复合件的一侧，边沿热复合件将延伸至单片状极片A1外沿的两侧隔膜热辊压粘合，形成连续的极片袋；上述裁切机构9及CCD10沿单片状极片A1传输方向依次设置，裁切机构9将连续的极片袋沿相邻两极片袋间距的中部位置切断为单极片袋A2；单极片袋A2与其相反极性的单极片B经CCD10对位检测后交错叠合制成电芯。

表面热复合件包括隔膜料卷1及热压辊5，其中，上述隔膜料卷1包括二个，两隔膜料卷1分别设置于单片状极片A1的上下两侧，且分别卷绕有隔膜2，隔膜2从隔膜料卷1上水平拉出并覆盖于单片状极片A1的上下侧面；上述热压辊5包括二个，两热压辊5分别上下对称设置于单片状极片A1的两侧，两热压辊5之间形成间隙空间。

隔膜保护组件包括保护膜料卷3、张紧辊7及收料卷8，其中，上述保护膜料卷3包括二个，分别设置于单片状极片A1的上下两侧，并分别卷绕有保护膜4，保护膜4向外水平拉出并覆盖在隔膜2表面，单片状极片A1、隔膜2及保护膜4穿过两热压辊5之间的间隙空间时，热压辊5将两侧的隔膜2热复合在单片状极片A1的上下两侧面；上述张紧辊7包括二个，两张紧辊7设置于单片状极片A1的上下两侧，张紧辊7与热压辊5距离单片状极片A1表面的间距相同，热复合后的保护膜4经张紧辊7水平张紧；上述收料卷8设置在张紧辊7的外侧，保护膜4的外端连接在收料卷8上，并经收料卷8卷绕回收。

边沿热复合件包括粘合辊6，粘合辊6包括二个，两粘合辊6上下对称设置于单片状极片A1的两侧，粘合辊6与单片状极片A1的表面间距小于热压辊5与单片状极片A1表面的间距，以便将延伸至单片状极片A1外沿的两侧隔膜沿着单片状极片A1表面向内折弯后粘合在一起。

如图9所示，本发明电芯的制成工艺包括如下工艺步骤：

S1、表面热复合：两带状结构的隔膜分别从单片状连续向前传输的极片两侧热复合粘合在极片表面；

S2、边沿热复合成袋：步骤S1中的隔膜延伸至单片状极片的外沿，在极片外沿处两侧的隔膜之间相互粘合，将单极片包覆成袋，形成连续的极片袋；

S3、制袋：步骤S2中连续的极片袋经裁切制成单极片袋；

S4、片袋叠合制成：步骤S3中的单极片袋与相反属性的单极片经CCD对位后交错叠合制成电芯。

步骤S1中的极片向前传输时经热压辊将隔膜热复合在极片表面，且隔膜外侧沿极片传输方向拉出有保护膜，热压时保护膜覆盖在隔膜表面，以免隔膜表面损坏刺破。

保护膜经张紧轮张紧保持水平度，且外端连接在收料辊上，热压后的保护膜经收料辊卷绕回收。

步骤S2中极片两侧的隔膜延伸至极片外沿部分经粘合辊热压粘合连接。

步骤S3中相邻极片袋之间留有间距，该间距中部位置的隔膜被裁断，形成单极片袋。

步骤S1中的单片状极片为负极极片；步骤S4中的单极片袋为负极极片袋，相反属性的单极片为正极极片。

步骤S4中叠合后的负极极片袋延伸至正极极片外侧，负极极片袋的隔膜包覆侧边与正极极片侧边之间形成间距，以免步骤S2的极片外沿隔膜之间粘合时，隔膜被刺穿后与正极极片连通，形成短路。

如图10所示，为本发明电芯制成生产线的另一种替换，与图9所示生产线具有相同的组成部分，其区别在于图10所示生产线将边沿热复合成袋工序及制袋工序的顺序对调，即表面热复合工序完成后，将隔膜沿相邻两极片之间的间距中部裁断，裁断完成后，再经粘合辊6将极片外沿上下两侧的隔膜沿着极片外轮廓进行边沿热复合成袋。图9中所示工艺为先进行边沿热复合后再将连续的隔膜裁断，由于连续隔膜张紧后内部存在应力，因此边沿热复合后有可能出现因连续隔膜内部应力作用导致变压热复合后上下两层隔膜粘结后脱离情况，作为一种替换的电芯制成生产线和生产工艺，图10中所示工艺，先将隔膜裁断，再进行边沿热复合，解决了连续隔膜内部应力可能导致边沿部位隔膜粘结松动的情况。但是，由于隔膜为柔性材质，裁断后的上下两层隔膜边沿为悬空状态，也存在裁断后传送至粘合辊6的传送过程中，隔膜边沿出现表面弯折等情况，影响后续边沿热复合质量的问题。

本发明的实施例只是介绍其具体实施方式，不在于限制其保护范围。本行业的技术人员在本实施例的启发下可以作出某些修改，故凡依照本发明专利范围所做的等效变化或修饰，均属于本发明专利权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种极片与极片袋叠合电芯，其特征在于：包括极片袋及第二极片（b），其中，上述极片袋包括第一极片（a1）及隔膜（a2），隔膜（a2）包括二片，两隔膜（a2）分别水平覆盖在第一极片（a1）的上下表面，并通过热复合与第一极片（a1）表面粘合；隔膜（a2）水平延伸至第一极片（a1）的外沿，形成外沿部（a3），上下两侧隔膜（a2）的外沿部（a3）沿着第一极片（a1）的外轮廓向中部折弯并热复合粘结在一起，形成将第一极片（a1）包覆在内的密闭极片袋；上述极片袋与第二极片（b）经CCD对位后，交错叠合制成电芯；

上述隔膜（a2）在第一极片（a1）表面通过热压辊进行粘合；

上述第一极片（a1）的侧边延伸至第二极片（b）侧边的外侧；

上述电芯外部填充电解液层（c），电解液层（c）直接与第二极片（b）接触，第一极片（a1）通过极片袋外部的隔膜（a2）与第二极片（b）及电解液层（c）绝缘隔离。

2.根据权利要求1所述的一种极片与极片袋叠合电芯，其特征在于：所述的外沿部（a3）经粘合辊压紧，并绕第一极片（a1）的上表面或下表面向第一极片（a1）的中部折弯，上下两外沿部（a3）在第一极片（a1）外侧相互粘结一体。

3.根据权利要求2所述的一种极片与极片袋叠合电芯，其特征在于：所述的隔膜（a2）的外侧经热压辊朝第一极片（a1）中部折弯处形成易刺破部位。

4.根据权利要求3所述的一种极片与极片袋叠合电芯，其特征在于：所述的第一极片（a1）为负极极片，第二极片（b）为正极极片。

5.根据权利要求4所述的一种极片与极片袋叠合电芯，其特征在于：所述的第二极片（b）的外侧边与极片袋的易刺破部位形成间距，易刺破部位与第二极片（b）不接触。

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