CN216140947U - 一种放卷机构、卷绕机 - Google Patents

Abstract

一种放卷机构、卷绕机，属于电池领域。放卷机构包括：至少两个具有阳极片切断器的阳极片放卷组件，用于通过阳极片放卷操作提供切断的阳极片；隔膜放卷组件，用于通过隔膜放卷操作提供连续的隔膜；至少两个具有阴极片切断器的阴极片放卷组件，用于通过阴极片放卷操作提供切断的阴极片；阳极片放卷组件、隔膜放卷组件和阴极放卷组件顺序排布，从而提供由切断的阳极片、连续的隔膜以及切断的阴极片构成的待卷绕片组。上述放卷机构可以高效地输送极片和隔膜，以便提高卷绕机的工作效率。

Description

一种放卷机构、卷绕机

技术领域

本申请涉及锂离子卷绕电池制备领域，具体而言，涉及一种放卷机构、卷绕机。

背景技术

目前，卷绕锂离子电池的制备过程都涉及将隔膜配合于阴极和阳极卷料进行卷绕。如何提高卷绕操作的质量和效率是相关从业者的一个难题。

实用新型内容

为改善、甚至解决现有卷绕机的上述缺陷，本申请提出了一种放卷机构、卷绕机。

本申请是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种用于卷绕机中以提供具有顺序排布且待卷绕的由阳极片、隔膜和阴极片构成的组合体的放卷机构。该放卷机构包括至少两个阳极片放卷组件、隔膜放卷组件和至少两个阴极片放卷组件。阳极片放卷组件、隔膜放卷组件和阴极放卷组件顺序排布，从而提供由切断的阳极片、连续的隔膜以及切断的阴极片构成的待卷绕片组。其中，阳极片放卷组件具有阳极片切断器，且用于通过阳极片放卷操作提供切断的阳极片；隔膜放卷组件用于通过隔膜放卷操作提供连续的隔膜；阴极片放卷组件具有阴极片切断器，且用于通过阴极片放卷操作提供切断的阴极片。

在本申请的一些示例中，放卷机构包括张紧机构，用于在阳极片、隔膜和阴极片中的至少一者在放卷过程中提供张紧力。

在本申请的一些示例中，放卷机构包括纠偏机构，用于在阳极片、隔膜和阴极片中的至少一者在放卷过程中进行纠偏。

在本申请的一些示例中，阳极片切断器位于阳极片放卷组件的末端；和/或，阴极片切断器位于阴极片放卷组件的末端。

在本申请的一些示例中，放卷机构包括依次排布的阴极片放卷机构、隔膜放卷机构、阳极片放卷机构、隔膜放卷机构、阴极放卷机构、隔膜放卷机构、阳极放卷机构以及隔膜放卷机构。

在第二方面，本申请示例提供了一种卷绕机，其包括如上述放卷机构、卷绕机构以及隔膜切断器。其中，卷绕机构位于放卷机构的后端，并用于接收由放卷机构输出的待卷绕片组；隔膜切断器则邻近卷绕机构设置，并用于在待卷绕片组被卷绕之后，切断隔膜，以形成卷绕电芯。

在本申请的一些示例中，卷绕机构包括卷针。

在本申请的一些示例中，卷绕机构包括工位调整器和连接于工位调整器的至少两个卷针，工位调整器用于在不同的卷针之间切换。

在以上实现过程中，本申请实施例提供的卷绕机利用放卷机构可以实现快速的生产，从而通过提高效率且降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请示例中的卷绕机的结构示意图；

图2示出了图1的卷绕机中的一种示例的阴极片放卷机构的结构示意图；

图3为本申请示例中的待卷绕片组的结构示意图。

图标：1-阴极片卷料；2-隔膜卷料；3-阳极片卷料；4-卷针；10-张紧机构；20-纠偏机构；30-切断保持机构；101-放卷辊、102-张紧辊；300-待卷绕片组；201-阴极片；202-隔膜；203-阳极片；204-隔膜；205-阴极片；206-隔膜；207-阳极片；208-隔膜。

具体实施方式

就发明人所知，目前锂离子电池中的卷绕电芯，主要是以一路阴极放卷路径、一路阳极放卷路径以及两路隔离膜放卷路径的配合方式进行卷绕制作。并且，其卷绕前的层状布局的顺序依次为：阴极、隔膜、阳极、隔膜；或者，其卷绕的顺序依次为:隔膜、阳极、隔膜、阴极，这取决于从何而始。

但是，发明人发现，这样的卷绕方式不能满足更灵活的需求。这主要在于：上述的卷绕结构和方式只能对单卷阴极和单卷阳极卷料进行卷绕。因此，当需要使用两种或以上不同或者相同的阴极极片或者阳极极片进行卷绕时，目前卷绕设备无法实现。因此，上述的设备的兼容性和柔性不足。并且，这些设备只分别有一条阴极极片和阳极极片的走带路径。因此，在卷绕时，只能同时卷绕一卷阴极和一卷阳极极片，使得卷绕效率较低。

有鉴于这样的现实状况，经过研究，发明人提出了一种新的卷绕机，并且依据该设备实施了一种卷绕方法以制作卷绕电芯。

从总体上而言，该新的卷绕机可以快速提高生产效率、减少设备数量，并降低成本等效果。

使用该设备还可以方便地调整阴极片卷料/阳极片卷料的卷绕结构。当两卷阴极片卷料或者两卷阳极片卷料的集流体的材质特性不一致时，还可以实现阴极极耳或者阳极极耳为两种材质特性的集流体的交替分布，从而方便后续的集流体的焊接。其中的材质特性，例如是指集流体或活性材料的具体成分构成；或者，材质特性也可以是指集流体的结构，活性材料的涂布后的形状、厚度等。

同时，该卷绕机还可以实现对两卷阳极涂敷不同特性的活性材料、两卷阴极也涂敷两种不同特性的活性材料，进行同时卷绕。电芯则根据涂敷的两种不同的活性材料，可同时具有两种特性，比如同时具有快速大倍率充放电特性和长循环寿命特性，或者同时具有良好的低温特性和高的能量密度等等。

因此，由于能够实现上述复杂的卷绕方式，从而可以实现电芯设计的多样化。

除此之外，本申请提出的新的卷绕机不仅能够应对上述的复杂的需求，其还能够在需求只卷绕一个阳极、一个隔膜和一个阴极时，兼容原有一卷阳极和一卷阴极的卷绕形式。例如，当需要对单卷阳极和单卷阴极进行卷绕时，只需要屏蔽其他路的阴极放卷和阳极放卷，和另外的隔离膜放卷即可。

由于上述的卷绕机具有多个放卷路径(由若干数量的阳极片、隔膜和阴极片放卷机构提供)，从而可以同时进行多层阴极和阳极极片的卷绕。由于该卷绕机可以方便地调整阴极卷料、阳极卷料的卷绕结构。因此，当两卷阴极或者两卷阳极卷料的集流体材质特性不一致时，可以使用该卷绕机实现阴极极耳或者阳极极耳为两种材质特性的集流体的交替分布，从而方便后续的集流体的焊接。进一步地，该卷绕机还可以实现两卷阳极涂敷不同特性的活性材料，两卷阴极也涂敷两种不同特性的活性材料，同时进行卷绕、兼顾两种特性——比如同时具有快速大倍率充放电特性和长循环寿命特性等等。同时，该卷绕机还可以兼容一卷阳极和一卷阴极的卷绕形式。

大体上，本申请示例中的卷绕机包括机架(图未绘制)、放卷机构、卷绕机构以及切断保持机构30。其中，放卷机构、卷绕机构以及切断保持机构30均附接到机架上。并且，卷绕机构位于放卷机构的后端、切断保持机构30且邻近卷绕机构设置。

机架为各个卷绕机中各个部件连接的基础，其可以是框架式结构。或者，其进一步通过各种板材与框架结构的结合。机架的具体结构与卷绕机中的其他部件的具体空间分布方式、结构相关，本申请并不对此做具体限定和详述。

其中，放卷机构用于形成按照阳极片和阴极片之间夹持隔膜的方式顺序排布的待卷绕片组。卷绕机构用于接收待卷绕片组并进行卷绕处理，以形成卷绕体。切断保持机构30用于从卷绕体的末端将待卷绕片组切断，以便卷绕机构进行下一次卷绕处理。

由于，卷绕电芯是以特定方式进行构造的(阳极和阴极之间通过隔膜隔离)。因此，用于对阳极片卷料3、隔膜卷料2以及阴极片卷料1进行放卷的放卷机构也对应按照选定的顺序进行布局，如图1所示。

为了实现多种电芯卷绕结构，放卷机构可以具有多种可选的实现方案，如下所述。

原则上，要形成有效的卷绕电芯，被卷绕的原料产品(待卷绕片组)中的阳极片和阴极片的数量是一致的；即，阴极和阳极是对称的，以便能够进行多圈卷绕。

其一、放卷机构具有至少一个阳极片放卷机构、至少一个阴极片放卷机构和至少两个隔膜放卷机构，且每个阳极片放卷机构、每个阴极片放卷机构和每个隔膜放卷机构分别具有张紧机构。

例如，一个阳极片放卷机构、一个阴极片放卷机构和两个隔膜放卷机构。其卷绕方式为：阳极、隔膜、阴极、隔膜。那么，各个放卷机构的排列顺序可以是，第一个阳极片放卷机构、第一个隔膜放卷机构、第一个阴极片放卷机构、第二个隔膜放卷机构；并且各个放卷机构可以选择上述顺序，以卷绕机构为“中心”进行逆时针或顺时针的环形排布。

其二、放卷机构具有至少两个阳极片放卷机构、至少两个阴极片放卷机构和至少四个隔膜放卷机构，且每个阳极片放卷机构、每个阴极片放卷机构和每个隔膜放卷机构分别具有张紧机构。

例如，两个阳极片放卷机构、两个阴极片放卷机构和两个隔膜放卷机构。其卷绕方式为：阴极、隔膜、阳极、隔膜、阴极、隔膜、阳和隔膜。

作为一种可替代的示例，图1所示的结构中，具有两个阴极、两个阳极以及四个隔膜(当然，在其他示例中，还可以具有三个、四个、甚至更多个阳极，以及对应数量的阴极)，且其卷绕方式为：阴极、隔膜、阳极、隔膜、阴极、隔膜、阳极和隔膜。各个放卷机构的排列顺序可以是，第一个阴极片放卷机构、第一个隔膜放卷机构、第一个阳极片放卷机构、第二个隔膜放卷机构、第二个阴极片放卷机构、第三个隔膜放卷机构、第二个阳极片放卷机构以及第四隔膜放卷机构；并且各个放卷机构可以选择上述顺序，以卷绕机构为“中心”进行顺时针的环形排布。

对于放卷机构的构成而言，其通常通过辊系统对扁平状的或片状的或薄膜状的阳极片、阴极片和隔膜进行输送。其中的辊系统具有多个转轴，且各个转轴连接辊。极片和隔膜在各个辊之间绕设，并通过辊和卷绕机构的提供的牵引动力向前输送而达到放卷。

并且，进一步地，极片和隔膜还通过张紧机构10(数量可以是一个或两个或三个或更多个)而处于张紧，从而在张紧状态下进行放卷输送。张紧机构10可以确保软质的极片和隔膜能够顺利地放卷输送，而不至于折叠、扭曲等等。一种示例性的阴极片放卷机构，如图2所示。阴极片卷料1通过放卷辊101、张紧辊102进行输送。

考虑到放卷过程中，极片和隔膜可能存在的相对于辊的偏移，卷绕集中还可以适应性地配置纠偏机构20。当极片(阳极片和/或阴极片)、隔膜发生偏移时，卷绕电芯中各层之间不能对齐，从而影响卷绕电芯的质量，如寿命、效率等等。而纠偏机构20可以对上述的偏移情况进行纠正。

在一些示例中，纠偏机构20可以由传感器(示例性地，光电传感器，如红光线光电传感器)和纠偏器构成。其中传感器用于检测是否存在偏移的情况，而纠偏器则在出现偏移情况时进行偏移的矫正。

由于极片和隔膜均可能存在偏移的情况，因此，对应于极片(阳极和阴极)、隔膜的放卷机构均可以分别设置纠偏机构20。即对应于全部放卷路径中的任意一个，可以相应地设置纠偏机构20。例如，至少一个或两个或三个或全部的阳极片放卷机构配置纠偏机构20。或者，至少一个或两个或三个或全部的阴极片放卷机构配置纠偏机构20。或者，至少一个或两个或三个或全部的隔膜放卷机构配置纠偏机构20。

由于放卷路径中，极片和隔膜都会存在通过各辊的情况，因此，纠偏机构20可以按需设置于各个选择位置。换言之，纠偏机构20可以是在放卷机构的前端或末端或者放卷机构中的任意的张紧机构10(可以通过张紧辊102实现张紧)之间等等。此外，极片和隔膜顺序排布后，在卷绕机构中进行卷绕。因此，在卷绕操作之前确定极片和隔膜是否对齐将是有益的。那么，纠偏机构20可以选择设置在卷绕机构之前，或者放卷机构和卷绕之间，或者设置于放卷机构中。

示例性地，在任意一个设置有纠偏机构20的阳极片放卷机构中，纠偏机构20的数量为一个或至少两个，且至少存在一个纠偏机构20位于阳极片放卷机构的末端。例如，当存在两个阳极放卷机构、且其中一个配置纠偏机构20时，该纠偏机构20可选地位于放卷机构的末端(也位于卷绕机构之前)。因此，纠偏机构20位于放卷机构和卷绕机构之间。或者，在另一些示例中，该纠偏机构20也可以是位于阳极放卷机构中的各个张紧机构10之间。

或者，在另一些示例中，纠偏机构20还具有其他构造方式，在任意一个设置有纠偏机构20的阴极片放卷机构中，纠偏机构20的数量为一个或至少两个，且至少存在一个纠偏机构20位于阴极片放卷机构的末端。

或者，在另一些示例中，纠偏机构20还具有其他构造方式，在任意一个设置有纠偏机构20的隔膜放卷机构中，纠偏机构20的数量为一个或至少两个，且至少存在一个纠偏机构20位于隔膜放卷机构的末端。

在如图1所示的结构中，卷绕机具有八个机构，并且以卷绕机构为中心成环形布置。且该八个机构的排布顺序为：阴极片放卷机构、隔膜放卷机构、阳极片放卷机构、隔膜放卷机构、阴极放卷机构、隔膜放卷机构、阳极放卷机构以及隔膜放卷机构。

如前文所述，卷绕机构是用于将阳极片、隔膜以及阴极片以如圆柱状结构卷绕，以制作卷绕电芯的部件。通常地，卷绕机构可以包括转动盘片以及设置在转动盘片之上的卷针4。其中转动盘片被电动机或发动机等驱动而进行回转运动。同时，转动盘片可以驱动卷针4进行回转运动，从而进行卷绕操作。其中的卷针的数量可以根据其具体结构和布局需求进行适应性的设计。例如，卷针4可以是一个或两个或三个或者更多个。本申请的图示方案中，卷针4为两个，且两者相对地布置。其中，转动盘片可以作为工位调整器，而卷针则以可转动的方式设置于转动盘片。转动盘片可以调整卷针的位置，从而改变卷针的工位。

例如，图1中，在上侧的卷针4处于卷绕操作工位，而下侧的卷针4处于非卷绕操作工位。当处于卷绕操作工位的卷针卷绕完成之后，可以通过切断保持机构30将隔膜切断(并进行固定)。进行下一次卷绕操作时，工位调整器进行转动，将下侧的处于非卷绕操作工位的卷针转动到上侧，并与被极片、隔膜接触，以便进行卷绕操作。其中包围两个卷针和一个切断保持机构30的圆形结构表示的是，两个卷针的转动以切换工位的运动路径。并且，其中的箭头表示的是工位调整器的转动方向(图1中为顺时针方向)。

由于卷针4是用于使极片和隔膜的组合体进行卷绕的结构，而切断保持结构是用于上述的组合体卷绕成之后，将其从连续的极片和隔膜上“取下”。一般地，卷针4主要由两部分构成，且该两部分可以分开和夹紧。切断保持机构30邻近卷针4(两个)设置。如此，在上方工位的卷绕作业完成后，转入下方工位。下方的卷针转入上方工位，但是处于收缩状态，因此，伸出夹持住隔膜后，再将隔膜切断。且同时，将已经卷绕完成的卷绕体与还未卷绕的部分切断分离。

另外，切断保持结构除了设置邻近卷绕机构的附近区域之外，切断保持机构30还可以配置在各个放卷机构的末端。在这样的方案中，极片和隔膜，被从放卷机构的末端切断。在放卷机构上的部分继续按需进行极片和隔膜的输送或停止输送。而在卷绕机构上的部分则继续“前进”进行卷绕。在这些示例中，由于隔膜和极片在放卷机构的末端被切断保持结构切断。因此，为了便于继续对切断后的部分进行输送，以备下一次卷绕制作卷绕电芯，在放卷机构的末端的辊系统上可以配置驱动设备。

在部分示例中，基于自动化控制和产品质量控制的需求，卷绕机配置控制器作为上位机，对各个具体的执行机构进行控制。其中的控制器可以是各种微控制单元、可编程逻辑控制器、工业控制器或可编程自动化控制器等等。同时，如上述的放卷机构、张紧机构10、纠偏机构20、卷绕机构、断开固定结构均与控制器匹配连接。

作为一种应用示例，基于上述的卷绕机可以实施下述的一种电芯卷绕方法。

首先，将阴极片放卷机构输出的阴极片、隔膜放卷机构输出的隔膜和阳极片放卷机构输出的阳极片，以给定顺序排布所形成的待卷绕片组传输至卷绕机构。图1中，各个放卷机构输出的为：阴极、隔膜、阳极、隔膜、阴极、隔膜、阳极和隔膜共计八层结构。

其次，卷绕机构对待卷绕片组进行压合，获得卷绕体。本申请示例中，通过卷针4对上述八层结构的极片和隔膜组合体进行卷绕，且最内层为阴极片，最外层为隔膜。根据半层结构的排布方式和卷针4的卷绕方式可以获得不同的卷绕结构。

再次，通过切断保持机构30，从卷绕体的末端将待卷绕片组切断。当卷绕结构达到预定厚度时，可以通过切断保持结构对极片、隔膜进行切断操作。其中的预定厚度例如可通过卷针4的转动圈数、直径等进行确定。

在本申请的一些示例中，通过对放卷机构的优化设计，可以实现向卷料机中的卷绕机构高效输送卷料，从而有助于快速地进行卷绕操作，进而提高效率、降低生产成本。并且，该放卷机构不仅能够对于多组阳极、多组阴极和多组隔膜的卷绕情况，其还适用于单组阳极、单组阴极以及两组隔膜的方案。

示例中，卷绕机的主要改进之一在于，调整前述的卷绕机中的切断保持机构30的设置方式，并且在如下述的描述中被详尽阐明。

放卷机构包括阳极片放卷组件、隔膜放卷组件和阴极片放卷组件。

其中，每个阳极片放卷组件都具有阳极片切断器，其能够通过输送且切断操作的配合，输出具有设定长度的阳极片。每个阴极片放卷组件都具有阴极片切断器，其能够通过输送且切断操作的配合，输出具有设定长度的阴极片。而隔膜则可以输出连续的隔膜。

这是基于这样的考虑，极片(阳极片和阴极片)的质地相对较硬，能够在被切断之后由自身结构特性保持外形而持续输送一段距离。而隔膜的质地通常比较软，因此，其被切断后不能独立地由自身保持外形。因此，在本申请的示例中，选择在卷绕机构之前，选择适当的时机将阳极片和阴极片切断(满足所需的卷绕长度即可进行切断)，而隔膜保持连续不切断。

通过对阳极片放卷组件、隔膜放卷组件和阴极片放卷组件三者排布顺序的调整，可以实现，输出由切断的阳极片、连续的隔膜以及切断的阴极片构成的待卷绕片组。该待卷绕片组300的结构如图3所示。其从下之上包括：阴极片201、隔膜202、阳极片203、隔膜204、阴极片205、隔膜206、阳极片207和隔膜208。其中，阴极片201和阴极片205、阳极片203和阳极片207具有预先确定的长度，并且是被切割为确定长度的“小段”形式存在。而其中的隔膜202、隔膜204、隔膜206和隔膜208相对于上述的阳极片和阴极片的长度更长(两端在伸出之极片之外)，其是作为连续的薄膜存在(在卷绕好一个电芯后，对于该电芯的隔膜再被切断)。

然后，待卷绕片组在被卷绕机构卷绕到指定的厚度之后，由于卷绕之前已经切断阳极片和阴极片，因此，此时可以切断隔膜，从而获得一个卷绕好的卷绕电芯。

对于需要进行多于一个阳极片，或者多于一个阴极片，或者二者兼而有之的电芯进行卷绕制作的情况，本申请的放卷机构同样适用。相应地，需要对其中的对阳极片放卷组件、隔膜放卷组件和阴极片放卷组件三者的数量进行适应性的选择控制，并且对应按照顺序排布。以图1所述的卷绕机为例，其包括逆时针顺序排布的：阴极片放卷组件、隔膜放卷组件、阳极片放卷组件、隔膜组件、阴极片组件、隔膜组件、阳极片放卷组件以及隔膜放卷组件。

在本申请中，在不矛盾或冲突的情况下，本申请的实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本申请中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本申请公开的内容自制。在本申请中，为了突出本申请的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种放卷机构，用于卷绕机中以提供具有顺序排布且待卷绕的由阳极片、隔膜和阴极片构成的组合体，其特征在于，所述放卷机构包括：

至少两个具有阳极片切断器的阳极片放卷组件，用于通过阳极片放卷操作提供切断的阳极片；

隔膜放卷组件，用于通过隔膜放卷操作提供连续的隔膜；

至少两个具有阴极片切断器的阴极片放卷组件，用于通过阴极片放卷操作提供切断的阴极片；

所述阳极片放卷组件、所述隔膜放卷组件和所述阴极放卷组件顺序排布，从而提供由切断的阳极片、连续的隔膜以及切断的阴极片构成的待卷绕片组。

2.根据权利要求1所述的放卷机构，其特征在于，所述放卷机构包括张紧机构，用于在所述阳极片、所述隔膜和所述阴极片中的至少一者在放卷过程中提供张紧力。

3.根据权利要求1或2所述的放卷机构，其特征在于，所述放卷机构包括纠偏机构，用于在所述阳极片、所述隔膜和所述阴极片中的至少一者在放卷过程中进行纠偏。

4.根据权利要求1所述的放卷机构，其特征在于，所述阳极片切断器位于所述阳极片放卷组件的末端；和/或，所述阴极片切断器位于所述阴极片放卷组件的末端。

5.根据权利要求1所述的放卷机构，其特征在于，所述放卷机构包括依次排布的阴极片放卷机构、隔膜放卷机构、阳极片放卷机构、隔膜放卷机构、阴极放卷机构、隔膜放卷机构、阳极放卷机构以及隔膜放卷机构。

6.一种卷绕机，其特征在于，包括：

如权利要求1至5中任意一项所述的放卷机构；

卷绕机构，位于所述放卷机构的后端，用于接收由所述放卷机构输出的待卷绕片组；

隔膜切断器，邻近所述卷绕机构设置，用于在所述待卷绕片组被卷绕之后，切断所述隔膜，以形成卷绕电芯。

7.根据权利要求6所述的卷绕机，其特征在于，所述卷绕机构包括卷针。

8.根据权利要求7所述的卷绕机，其特征在于，所述卷绕机构包括工位调整器和连接于所述工位调整器的至少两个卷针，所述工位调整器用于在不同的卷针之间切换。

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