TWI539130B - 製造鋰電池組的方法和裝置 - Google Patents

Description

製造鋰電池組的方法和裝置

本發明涉及大型鋰電池電池組的製造。

在習知的鋰電池電池組的製造過程的問題中，鋰電池應僅包含最少量的水，因為水可導致腐蝕及副反應，進而可導致各個電池性能損失，如容降，功率容量缺失等。

鋰電池內的正常含水量應小於30ppm。一般而言，上述條件可藉由在嚴格的乾燥條件下進行材料及工序的處理而實現，例如將機器及材料移至具有較低濕度的乾燥室內。然而，能夠容納必要生產設備的完整尺寸乾燥室的建造及維護成本非常高。

乾燥室的另一個問題是，需要操作生產設備的人員必須能夠在不干預乾燥室條件的前提下進入且離開乾燥室，而將製造過程所需的材料也必須在同樣條件下被移至乾燥室內。然而人體會攜帶大量濕氣進入該等乾燥室內。一旦乾燥室被打開，例如引入機器，材料或是人員進入時，需要花費很長時間來再次達到鋰工作條件，其為適得其反的並使整個過程費用昂貴。此外，濕氣可導致控制製造過程困難並降低產品品質，也導致長期暴露於極其乾燥條件的員工工作條件艱難。

為了解決上述問題，曾經建議在鋰電池製造材料進入乾燥室之前，預乾燥該等材料，從而減小進入的濕氣量。然而，這並未解決必須創造並維護非常大的乾燥室這一事實所產生的通用問題。

因此，仍需要提供一種大型鋰電池的製造解決方案，以有效克服上述問題。

本發明提出了一種製造(大型)鋰電池組的方法，包括以下步驟：組裝電化學電池組；將組裝的電池組置入一囊袋內；部分密封具有該等電化學電池組的囊袋；將具有該等電化學電池組的囊袋置入一乾燥箱內；將該囊袋 於該乾燥箱內置留一界定時間；轉移乾燥的囊袋至一電解液填充站；用電解液填充該囊袋並完全密封該囊袋；該方法與現有技術之已知狀態不同的地方在於，該等製造步驟係在正常製造環境條件下執行，並且僅有選定的關鍵製造步驟在乾燥室條件下執行。

該方法可有效地在正常工作環境下進行大型鋰電池的製造，而無需乾燥室，因僅製造過程的關鍵部分需要在乾燥室條件下進行，且乾燥室環境僅需為所選機器設定，如保持在惰性氣體或乾燥空氣下之乾燥箱及/或電解液填充站。

製造步驟的較佳關鍵部分包括將囊袋置入乾燥箱、置留於乾燥箱以及從乾燥箱轉移該囊袋，但也可以包括用電解液填充該囊袋之步驟。該乾燥箱具有高至200℃的溫度範圍，但是一般保持在120℃。其壓力範圍為0~400mbar abs.，通常為50mbar abs.，且為恒定或可變。最後，其乾燥時間範圍為1小時至100小時，但是通常為12小時至48小時之間。

在該等條件下，可為附著水、滲透水或結晶水的水將自該等電池排出。

該箱可由具有真空技術的一中央室組成。其形狀不重要且可為一模組化概念。為了使電池進出乾燥箱，可提供兩個空氣鎖。

在該乾燥箱內，該等電池可以任何便利之方式存放，且在乾燥期間內移動或是不移動皆可。

為了將囊袋從乾燥箱轉移至填充站，可以使用在乾燥室條件下之一通道。

在另一較佳實施例中，該等囊袋在製造過程中可連續移動。

應指出的是，對於大型鋰電池來說，從中提取水是一個特別的問題，因為水的提取困難度隨著電池體積增大而隨之增加。大型鋰電池可被定義為一種在一維上具有至少大約10cm或是比10cm大上許多的尺寸。大型鋰電池的典型實例可具有對應DIN A5或更大的尺寸，但是可能的尺寸並不限於特定之長度與寬度。大型鋰電池通常包含至少兩個電極、一陽極、一陰極以及一分離器，該分離器排列在該陽極和陰極之間。在雙電池的配置中，大型鋰電池通常包含一雙面陽極、排列在該陽極兩面上的兩個分離器、兩個陰極或一個雙面陰極、以及排列在該陰極和兩個陽極兩面上的兩個分離器。每個電極包括一收集器，該收集器可以為金屬箔和有活性電極材料的 形式。在本領域中，已習知多種收集器材料、有源電極材料及分離器材料。本發明並不限於特定材料或是材料組合。收集器之間的間隔的寬度通常小於1mm，而從電極中間至其邊緣的典型橫向擴散距離為10至20cm之間。上述設定之目的為製造一種具有同質乾燥狀態的電池。

為了提高乾燥度，可利用在箱內之壓力變化，並應用其“將水蒸氣泵出電池”的特別效應。例如，將壓力降至200mbar abs.。在一定時間後，該結構內水蒸氣壓力將會達到平衡。雖然是一個緩慢的過程，其中一部分的水蒸氣會擴散出電池。為了提高水的傳輸，箱內壓力係被降低以使水蒸氣離開電池。重複上述的循環，可使電池內的水含量逐漸降低。

此外，該乾燥過程不可完全乾燥，少量水可殘留於該電池內。其殘留的量可以為300ppm。藉由填充電解液後，將殘留水的量淬至小於30ppm。

所述方法可用於鋰電池組技術內的任何材料，包括鋰電池組技術內應用的任何陽極材料、任何陰極材料、任何分離器材料及任何電解液。

第1圖為顯示圓形真空乾燥箱2的示意圖，其具有箱筒4和箱蓋6，其中箱筒4的底部封閉但是頂部敞開，箱蓋6以密封方式封閉箱筒4。

在背景中，顯示入口管8，並且在前景中顯示相似的出口管10，其中載有鋰電池組電池12的托盤(未顯示)可透過該入口管8進入箱筒4內。在本特定實施例中，載有電池組電池之托盤在連續移動帶14上被移入及移出箱筒，其可由用於將電池組電池移入及移出箱2的任何其他方式代替。

被移入及移出箱2之第1圖的大型鋰電池組電池，包含已被置入囊袋內的電極堆，當進入乾燥箱2時該囊袋被部分密封。

在第1圖所示的實施例中，在溫度120℃、壓力50mbar abs.下以時控方式，其中溫度和壓力可為恒定或可變，形成電池組電池之具有電極堆的部分密封的囊袋，被緩慢移至通過入口管8進入箱2的移動帶14以及通過出口管10離開該箱的帶14之間，其乾燥時間在12小時和48小時之間。

第2圖中顯示了乾燥箱16的模組概念的示意圖，其中該乾燥箱16由真空管18組成。如第2圖的背景所示，電池組電池12被再次移至移動帶14上並經由入口鎖20進入箱16，亦即真空管18內，其中該入口鎖20具 有入口門22和出口門24。然後，在界定時間內電池組電池12通過箱16的真空管18，並且如上參照第1圖所述，通過另一出口鎖26離開該箱16，其中該出口鎖26具有入口門28和出口門30。

乾燥的電池組電池自出口門30通過轉移通道32至電解液填充站34，該轉移通道32藉由惰性氣體或乾燥空氣之方式保持在乾燥環境下；如第2圖所示的實施例中，電解液填充站34為保持在乾燥環境下的玻璃隔間。

該等電池組電池自電解液填充站34被移入處理站36。

在第2圖的設置中，僅箱16、轉移通道32和電解液填充站34保持在乾燥室條件下，因此不再需要建造製造電池組電池所需的完整尺寸乾燥室。

2‧‧‧真空乾燥箱

4‧‧‧箱筒

6‧‧‧箱蓋

8‧‧‧入口管

10‧‧‧出口管

12‧‧‧鋰電池組電池

14‧‧‧移動帶

16‧‧‧乾燥箱

18‧‧‧真空管

20‧‧‧入口鎖

22‧‧‧入口門

24‧‧‧出口門

26‧‧‧出口鎖

28‧‧‧入口門

30‧‧‧出口門

32‧‧‧轉移通道

34‧‧‧電解液填充站

36‧‧‧處理站

第1圖為顯示圓形真空乾燥箱的示意圖；以及第2圖為顯示具有真空管的乾燥箱的模組概念的示意圖。

12‧‧‧鋰電池組電池

14‧‧‧移動帶

16‧‧‧乾燥箱

18‧‧‧真空管

20‧‧‧入口鎖

22‧‧‧入口門

24‧‧‧出口門

26‧‧‧出口鎖

28‧‧‧入口門

30‧‧‧出口門

32‧‧‧轉移通道

34‧‧‧電解液填充站

36‧‧‧處理站

Claims (11)

1. 一種製造鋰電池組的方法，其中該等鋰電池組之各者包括複數個電化學電池，該等電化學電池之各者具有一10公分或更大的尺寸，包括以下步驟：提供該等電化學電池的一個或多個；將該一個或多個電化學電池置入一囊袋內；部分密封具有該一個或多個電化學電池的該囊袋；將具有該一個或多個電化學電池的該囊袋置入一乾燥箱內；將該囊袋於該乾燥箱內置留一界定時間；自該乾燥箱移出該囊袋；轉移乾燥的該囊袋至一電解液填充站；用電解液填充該囊袋；以及密封該囊袋，其中該等製造步驟係在正常製造環境條件下執行，僅有選定的關鍵製造步驟在乾燥室條件下執行，其中所述所選關鍵製造步驟包含將該囊袋置入該乾燥箱、置留於該乾燥箱以及從該乾燥箱移出等步驟。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之製造鋰電池組的方法，其中所述用電解液填充該囊袋的製造步驟係進一步在乾燥室條件下執行。
3. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製造鋰電池組的方法，其中，該囊袋通過一在乾燥室條件下之通道，從該乾燥箱移至該填充站。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之製造鋰電池組的方法，其中該等囊袋在製造過程中被連續移動。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之製造鋰電池組的方法，其中所述乾燥室條件係藉由一乾燥氣體或一乾燥空氣的方法維持。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之製造鋰電池組的方法，其中該乾燥箱係被 保持在真空狀態下，並且其中將該囊袋置入該乾燥箱及從該乾燥箱移出該囊袋的該等步驟係透過分別的空氣鎖來執行。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之製造鋰電池組的方法，其中該一個或多個電化學電池的每一個包含至少兩個電極和至少一個分離器。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之製造鋰電池組的方法，其中，該乾燥箱內的真空狀態在該囊袋停留在該箱內的時間內隨著時間變化，用以實現一泵效應。
9. 一種用於製造鋰電池組的裝置，其中該等鋰電池組之各者包括複數個電化學電池，該等電化學電池之各者具有一10公分或更大的尺寸，該裝置包括：一乾燥箱，用以乾燥具有一個或多個電化學電池的一囊袋，且該乾燥箱藉由一轉移通道而連接至一電解液填充站；以及一處理站，該乾燥箱、該電解液填充站以及該處理站透過一囊袋傳送系統來連接，其中該乾燥箱和該電解液填充站包含用乾燥空氣或惰性氣體填充的密封製造體積。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之用於製造鋰電池組電池的裝置，其中該箱為一真空壓力箱，在其入口和出口處分別具有一空氣鎖。
11. 依據申請專利範圍第10項所述之用於製造鋰電池組電池的裝置，其中該乾燥箱為一可變真空壓力箱。