CN102903960B

CN102903960B - 一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置和方法

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Publication number: CN102903960B
Application number: CN201210353269.9A
Authority: CN
Inventors: 赵义; 方宏新; 张柏清; 何平; 史仲; 向建辉
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN102903960A

Abstract

本发明属于锂离子电池制造技术领域，尤其涉及一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置，包括极片传动轮、隔膜传动轮和卷绕机，还包括PLC控制器、编码器、传感器和涂覆机，PLC控制器分别与编码器、传感器和涂覆机电连接，编码器分别与极片传动轮、隔膜传动轮、卷绕机和涂覆机连接，涂覆机设置有涂覆头和控制***。相对于现有技术，本发明通过编码器和传感器收集极片的走带速度和走带位移等数据，并将数据反馈给PLC控制器，PLC控制器则控制涂覆机对极片的转角处进行涂覆，从而实现对极片的精准涂布，得到的涂覆层的位置、形状、大小和厚度都能够得到精确的控制，而且采用该装置对极片进行自动涂覆，可以大大提高生产效率。

Description

一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置和方法

技术领域

本发明属于锂离子电池制造技术领域，尤其涉及一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置和方法。

背景技术

随着现代社会的发展，摄像机、笔记本电脑、数码相机、便携式DVD和手机等移动设备有了越来越广泛的使用，因此，这些移动设备对作为其电源的电池的需求也越来越大。而锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、自放电系数小、尺寸（长度、宽度和厚度）设计灵活以及绿色环保等优点，已经成为移动设备的最佳电源。

锂离子电池有两种生产工艺：叠片工艺和卷绕工艺。卷绕工艺由于具有生产工艺简单、卷绕效率高、自放电小以及安全性能高等优点，被大多数锂离子电池生产厂商所采用。采用卷绕工艺制备的锂离子电池包括具有卷绕结构的极片组和包装壳。其中，如图1所示，极片组由正极片21、负极片23和间隔于正极片21和负极片23之间的隔膜22按照一定叠放顺序卷绕而成。

但是，这种卷绕工艺制备的极片组具有紧密的卷绕结构；在充电过程中负极材料急剧膨胀，而负极片的两侧都被相邻的正极片紧密的束缚；这种膨胀和束缚使得电芯内部存在较大的应力，从而引起了电池的变形。

为了解决电池由于负极膨胀而引起的变形，我们已提出在极片的转角处手动涂覆碳酸乙烯酯的解决方案，从而在正极片21和负极片23之间制造卷绕间隙，当向电池内注液时，碳酸乙烯酯溶解在电解液中，就给负极片预留了膨胀空间，从而消除了电池的内部应力，解决了电池变形的问题。但此方法生产效率低，且涂覆层位置、形状、大小和厚度控制精度差，无法在实际生产中应用。

有鉴于此，确有必要提供一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置和使用该装置制造锂离子电池卷绕间隙的方法，采用该装置和该方法能够大大提高生产效率，而且得到的涂覆层的位置、形状、大小和厚度都能够得到精确的控制，最终很好的解决电池的变形问题。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置，采用该装置能够大大提高生产效率，而且得到的涂覆层的位置、形状、大小和厚度都能够得到精确的控制，最终很好的解决电池的变形问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置，包括极片传动轮、隔膜传动轮和卷绕机，还包括PLC控制器、编码器、传感器和涂覆机，所述PLC控制器分别与编码器、传感器和涂覆机电连接，所述编码器分别与所述极片传动轮、隔膜传动轮、卷绕机和涂覆机连接，所述涂覆机设置有涂覆头和控制***。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的装置的一种改进，所述涂覆头位于卷绕前的极片的正上方。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的装置的一种改进，所述涂覆头位于卷绕时极片的拐角处的外侧。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的装置的一种改进，所述涂覆机内盛装有涂覆物。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的装置的一种改进，所述涂覆物为碳酸乙烯酯或干冰。

相对于现有技术，本发明利用PLC控制器、编码器、传感器和涂覆机，通过编码器和传感器收集极片的走带速度和走带位移等数据，并将数据反馈给PLC控制器，PLC控制器则控制涂覆机对极片的转角处进行涂覆，从而实现对极片的精准涂布，得到的涂覆层的位置、形状、大小和厚度都能够得到精确的控制，而且采用该装置对极片进行自动涂覆，以取代现有技术中的手动涂覆，可以大大提高生产效率。

本发明的另一个目的在于提供一种采用上述装置制造锂离子电池卷绕间隙的方法，包括以下步骤：第一步，将电池设计参数手动输入PLC控制器中，同时将涂覆层的形状和大小输入涂覆机的控制***中；第二步，PLC控制器根据输入的参数计算极片的转角位置，开始卷绕操作，同时PLC控制器收集来自编码器和传感器的信息，并计算极片相对于极耳的走带位移；第三步，当极片的转角走带至涂覆头的正下方或外侧时（这里包括两种情形：对于卷绕前的极片，是当其转角走带至涂覆头的正下方时；而对于处于卷绕过程中的极片，则是当涂覆头位于极片的转角处时，优选的，涂覆头的涂覆方向与极片的宽度方向一致，使涂覆头能够涂满极片的转角处），PLC控制器发送指令给涂覆机，涂覆头开始按照预定的形状和大小涂覆涂覆物，得到涂覆层。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的方法的一种改进，所述极片包括正极片和负极片。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的方法的一种改进，第一步所述电池设计参数为极耳离第一转角的距离a、负极片厚度t₁、正极片厚度t₂、隔膜厚度t₃、电芯宽度b和涂覆层厚度c。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的方法的一种改进，所述PLC控制器按照以下计算条件和公式计算转角位置：第一转角位置a₁=a；第2转角位置a₂=a₁+b+(t₁+t₂+2*t₃+c)；第n转角位置a_n=(a₁+a₂+...+a_n-1)+(a_n-1)+(t₁+t₂+2*t₃+c)。

作为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的方法的一种改进，所述涂覆层的厚度为10~500um。

相对于现有技术，本发明的方法采用PLC控制器计算极片的转角位置，采用涂覆机控制涂覆层的形状、厚度和大小，并采用编码器和传感器收集极片的走带速度和走带位移等数据，并将数据反馈给PLC控制器，PLC控制器则控制涂覆机对极片的转角处进行涂覆，从而实现对极片的精准涂布，得到的涂覆层的位置、形状、大小和厚度都能够得到精确的控制，而且采用该方法对极片进行自动涂覆，以取代现有技术中的手动涂覆，可以大大提高生产效率。

总之，本发明通过精确定位与精确涂覆，在保证电池性能的情况下，高效的制造了卷绕间隙，此间隙为电池充电时的负极膨胀提供了空间，释放了电芯内部应力，从而有效的解决了电池的变形问题。

附图说明

下面结合说明书附图和具体实施方式，对发明及其有益技术效果进行详细说明。

图1为现有技术卷绕工艺制备的极片组的转角部位结构示意图。

图2为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的装置的一种结构示意图。

图3为本发明制造锂离子电池卷绕间隙的装置的另一种结构示意图。

图4为采用本发明的方法制备的极片组的转角部位结构示意图。

图5是采用本发明的方法制备的极片组组装成电池后的转角部位结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置。

实施例1：请参见图2，本实施例提供的制造锂离子电池卷绕间隙的装置，包括极片传动轮1、隔膜传动轮2和卷绕机3，还包括PLC控制器4、编码器5、传感器6和涂覆机7，PLC控制器4分别与编码器5、传感器6和涂覆机7电连接，编码器5分别与极片传动轮1、隔膜传动轮2、卷绕机3和涂覆机7连接，涂覆机7设置有涂覆头8和控制***。其中，编码器5为高精度的编码器5。

其中，涂覆头8位于卷绕前的极片的正上方。涂覆机7内盛装有涂覆物。涂覆物为碳酸乙烯酯或干冰。其中，碳酸乙烯酯本身就是电池所用电解液中的一种组成成分，其在室温下就能固化成固态，而当把卷绕好的电极组放置在包装袋内并注入电解液后，碳酸乙烯酯会溶入电解液内，因此完全不会对电池造成影响，同时还能在正极片11和负极片12之间形成间隙（如图5所示），以容纳负极的膨胀，解决电池的变形问题。而干冰容易发生升华，当电池化成、产气、除气后，干冰升华成的气体就会被排出，从而在正极片11和负极片12之间形成间隙（如图5所示），以容纳负极的膨胀，解决电池的变形问题。

实施例2：请参见图3，本实施例提供的制造锂离子电池卷绕间隙的装置，包括极片传动轮1、隔膜传动轮2和卷绕机3，还包括PLC控制器4、编码器5、传感器6和涂覆机7，PLC控制器4分别与编码器5、传感器6和涂覆机7电连接，编码器5分别与极片传动轮1、隔膜传动轮2、卷绕机3和涂覆机7连接，涂覆机7设置有涂覆头8和控制***。其中，编码器5为高精度的编码器5。

其中，涂覆头8位于卷绕时的极片的拐角处的侧边。涂覆机7内盛装有涂覆物。涂覆物为碳酸乙烯酯或干冰。

本发明还提供了一种制造锂离子电池卷绕间隙的方法。

实施例1：第一步，将极耳离第一转角的距离a、负极片厚度t₁、正极片厚度t₂、隔膜厚度t₃、电芯宽度b和涂覆层14厚度c等电池设计参数手动输入PLC控制器4中，同时将涂覆层14的形状和大小输入涂覆机7的控制***中，其中，涂覆层14厚度c为10~500um。

第二步，PLC控制器4根据输入的参数按照以下计算条件和公式计算转角位置：第一转角位置a₁=a；第2转角位置a₂=a₁+b+(t₁+t₂+2*t₃+c)；第n转角位置a_n=(a₁+a₂+...+a_n-1)+(a_n-1)+(t₁+t₂+2*t₃+c)。启动极片传动轮1、隔膜传动轮2以及卷绕机3，开始卷绕操作，同时PLC控制器4收集来自编码器5和传感器6的信息，并计算极片相对于极耳的走带位移。

第三步，当极片的转角走带至涂覆头8的正下方（如图2所示，当然，若涂覆头8和传感器6不在同位置时，需要补偿涂覆头8和传感器6的距离）时，PLC控制器4发送指令给涂覆机7，涂覆头8开始按照预定的形状和大小涂覆涂覆物，得到涂覆层14。同时编码器5采集极片传动轮1、隔膜传动轮2和卷绕机3的速度信息，涂覆机7则收集来自编码器5的信息，并计算极片的实时走带速度，涂覆机7根据该速度调节涂覆速度和涂覆物流量，从而保证极片在非匀速走带情况下涂覆层14也具有一致的形状、大小和厚度，以达到高精度的控制。随着走带的进行和卷绕机3的运行，正极片11、负极片12和隔膜13卷绕成极片组，制备的极片组的转角部位结构示意图如图4所示。涂覆机7的涂覆方式可以是压力喷涂、涂刷、气压滴胶、喷墨打印、转移涂布或挤压涂布等方式。

当涂覆物为碳酸乙烯酯时，碳酸乙烯酯在室温下就能很快就能固化，而且由于碳酸乙烯酯本身就是电池所用电解液中的一种组成成分，当把卷绕好的电极组放置在包装袋内并注入电解液后，碳酸乙烯酯会溶入电解液内，因此完全不会对电池造成影响，同时还能在正极片11和负极片12之间形成间隙（如图5所示），以容纳负极的膨胀，解决电池的变形问题。而干冰容易发生升华，当电池化成、产气、除气后，干冰升华成的气体就会被排出，从而在正极片11和负极片12之间形成间隙（如图5所示），以容纳负极的膨胀，解决电池的变形问题。

需要说明的是，涂覆层14可连续设置于极片的各个转角，也可以是无规律地间隙涂覆于极片的某些转角。

本发明的方法根据电芯设计参数精确计算极片转角，并通过高精度的编码器5精确计算极片的走带位移从而保证了涂覆层14喷涂位置的精确性；另外，涂覆机7收集高精度的编码器5的信号并计算出极片的实时走带速度，据此自动调节喷涂参数，从而保证了涂覆层14的形状、尺寸和厚度的一致性。除此之外，本方法在极片走带的同时对极片进行喷涂处理，不耽误极片的卷绕操作，从而保证了生产效率。涂覆层14在注液后能够溶解在电解液中或者在化成除气后去除，从而在正极片11和负极片12留下间隙，为电池充电时的负极膨胀提供了空间，以释放电芯内部应力，从而有效的解决了电池变形问题。

实施例2：本实施例的涂覆物以碳酸乙烯酯为例，在卷绕机3的卷针处空间足够的情况下，也可以在卷绕的同时（卷针处）进行涂覆物的涂覆。请参见图3，本实施例包括以下步骤：第一步，将极耳离第一转角的距离a、负极片厚度t₁、正极片厚度t₂、隔膜厚度t₃、电芯宽度b和涂覆层14厚度c等电池设计参数手动输入PLC控制器4中，同时将涂覆层14的形状和大小输入涂覆机7的控制***中，其中，涂覆层14厚度c为10~500um。

第二步，PLC控制器4根据输入的参数按照以下计算条件和公式计算转角位置：

第一转角位置a₁=a；第2转角位置a₂=a₁+b+(t₁+t₂+2*t₃+c)；第n转角位置a_n=(a₁+a₂+...+a_n-1)+(a_n-1)+(t₁+t₂+2*t₃+c)。启动极片传动轮1、隔膜传动轮2以及卷绕机3，开始卷绕操作。

第三步，编码器5采集极片传动轮1、隔膜传动轮2和卷绕机3的速度数据，涂覆机7则收集来自编码器5的信息，通过传感器6和编码器5将极片相对于极耳的走带信息和卷绕机3的转动信息传送至PLC控制器4，当卷绕机3的转角刚好转到涂覆头8位置的时候，PLC控制器4发送指令给涂覆机7，涂覆头8涂覆涂覆物至电芯转角处，同时涂覆机7收集来自编码器5的信息，并计算极片的实时走带速度，涂覆机7根据该速度调节涂覆速度和涂覆物流量，从而保证极片在非匀速走带情况下涂覆层14具有一致的形状、大小和厚度，随后碳酸乙烯酯（EC）涂覆层14迅速凝固并被卷入，EC作为填充物垫在正极片1和负极片2之间从而将外层的极片撑起来（如图4所示），随着卷绕的进行，正极片11、负极片12和隔膜13最后形成极片组。注液后EC溶解于电解液中，从而制造了卷绕间隙（如图5所示），为电池充电时的负极膨胀提供了空间，以释放电芯内部应力，从而有效的解决了电池变形问题。因此本发明锂离子电池制造卷绕间隙的方法也可以在卷绕的同时（卷针处）进行。

需要说明的是，虽然本说明书仅仅以EC和干冰为例对本发明构思中的涂覆物进行说明，但是本领域的技术人员根据本说明书的揭示，也可以采用其他物质（升华、分解、溶解或溶胀于电解液，且不影响电池性能的物质）。另外，不排除采用相类似的方法对隔离膜进行涂覆处理，制造卷绕间隙解决变形的方法。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种制造锂离子电池卷绕间隙的装置，包括极片传动轮、隔膜传动轮和卷绕机，其特征在于：还包括PLC控制器、编码器、传感器和涂覆机，所述PLC控制器分别与编码器、传感器和涂覆机电连接，所述编码器分别与所述极片传动轮、隔膜传动轮、卷绕机和涂覆机连接，所述涂覆机设置有涂覆头和控制***，所述涂覆机内盛装有涂覆物，所述涂覆物能溶入电解液或者能发生升华。

2.根据权利要求1所述的制造锂离子电池卷绕间隙的装置，其特征在于：所述涂覆头位于卷绕前的极片的正上方。

3.根据权利要求1所述的制造锂离子电池卷绕间隙的装置，其特征在于：所述涂覆头位于卷绕时极片的拐角处的外侧。

4.根据权利要求1所述的制造锂离子电池卷绕间隙的装置，其特征在于：所述涂覆物为碳酸乙烯酯或干冰。

5.一种采用权利要求1至4任一项的装置制造锂离子电池卷绕间隙的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将电池设计参数手动输入PLC控制器中，同时将涂覆层的形状和大小输入涂覆机的控制***中；

第二步，PLC控制器根据输入的参数计算极片的转角位置，开始卷绕操作，同时PLC控制器收集来自编码器和传感器的信息，并计算极片相对于极耳的走带位移；

第三步，当极片的转角走带至涂覆头的正下方或外侧时，PLC控制器发送指令给涂覆机，涂覆头开始按照预定的形状和大小涂覆涂覆物，得到涂覆层。

6.根据权利要求5所述的制造锂离子电池卷绕间隙的方法，其特征在于：所述极片包括正极片和负极片。

7.根据权利要求6所述的制造锂离子电池卷绕间隙的方法，其特征在于：第一步所述电池设计参数为极耳离第一转角的距离a、负极片厚度t1、正极片厚度t2、隔膜厚度t3、电芯宽度b和涂覆层厚度c。

8.根据权利要求7所述的制造锂离子电池卷绕间隙的方法，其特征在于：所述PLC控制器按照以下计算条件和公式计算转角位置：

第一转角位置a1=a；

第2转角位置a2=a1+b+(t1+t2+2*t3+c)；

第n转角位置an=(a1+a2+...+an-1)+(an-1)+(t1+t2+2*t3+c)。

9.根据权利要求5所述的制造锂离子电池卷绕间隙的方法，其特征在于：所述涂覆层的厚度为10~500um。