CN108886118A - 利用感应加热的电池单元制造设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通过利用感应加热将袋型壳体的外周边热熔合来形成密封剩余部分的电池单元制造设备，该设备包括：托架，其配置成固定和安装电池单元；一个或多个感应加热线圈，其是通过在与外周边对应的位置处缠绕电线至少一次而形成的，以在其上要形成密封剩余部分的袋型壳体的外周边中产生感应电流；电源供给部，其配置成给感应加热线圈提供交流电流；以及至少两个按压构件，其配置成按压其上要形成密封剩余部分的袋型壳体的外周边的两侧，其中袋型壳体的外周边被感应加热线圈中产生的磁场感应加热到能进行热熔合以形成密封剩余部分的温度。
Description
技术领域
本公开内容涉及一种利用感应加热的电池单元制造设备。
背景技术
由于化石燃料的使用迅速增加，对使用替代能源或清洁能源的需求正在增加。作为这一趋势的一部分，最活跃的研究领域之一是基于电化学的发电和储存。
目前，利用电化学能源的电化学装置的典型示例是二次电池，其应用正在逐渐增加。
尤其是，随着对环境问题的日益关注，对能够取代作为空气污染的主要原因之一的诸如汽油车和柴油车之类的使用化石燃料的汽车的电动汽车、混合动力电动汽车等的研究已在积极进行。这种锂二次电池已被用作电动汽车、混合动力电动汽车等的电源。
就电池的形状而言，对足够薄以应用于需要在紧凑空间中存储高密度能量的产品的棱柱型二次电池和袋型二次电池的需求较高。就电池材料而言，对具有高能量密度、放电电压和输出稳定性的诸如锂离子电池和锂离子聚合物电池之类的锂二次电池的需求较高。
可基于由正极、负极和隔膜组成的电极组件的结构将二次电池分类。其示例包括果冻卷型(卷绕型)电极组件、堆叠型(层压型)电极组件以及堆叠/折叠型电极组件，果冻卷型电极组件具有其中长片型正极和负极在之间夹有隔膜的情况下卷绕的结构，在堆叠型电极组件中，以预定尺寸为单位切割的多个正极和负极在之间夹有隔膜的情况下按顺序堆叠，堆叠/折叠型电极组件具有其中双电池(Bi-cell)或全电池(Full cell)被卷起来的结构，在双电池或全电池中，预定单位的正电极和负电极在之间夹有隔膜的情况下堆叠。
近来，具有其中堆叠型或堆叠/折叠型电极组件嵌入铝层压板的袋型电池壳体中的结构的袋型电池因其制造成本低、重量轻、易于形状变形等而备受关注，并且其使用逐渐增加。
图1示意性地示出了图解常规袋型电池单元的一般结构的分解透视图。
参照图1，袋型电池单元10包括：其中多个电极接片21和22突出的堆叠型电极组件20、各自连接到电极接片21和22的两个电极引线30和31、以及电池壳体40，电池壳体40具有其中容纳并密封堆叠型电极组件20，使得电极引线30和31的一部分暴露于外部的结构。
此外，电池壳体40包括：下壳体42，下壳体42包括堆叠型电极组件20可位于其中的凹形容纳部分41；和上壳体43，上壳体43作为下壳体42的盖来密封堆叠型电极组件20。上壳体43和下壳体42在堆叠型电极组件20嵌入的状态下热熔合并密封电池壳体40的外周表面。
图2是示出利用典型的常规电池单元制造设备形成袋型电池单元的密封剩余部分的示意性平面图。
参照图2，在相关技术中，袋型电池单元10的制造设备60分离地具有密封装置61和密封装置62，密封装置61用于对袋型壳体40的外周边中的一个侧部46执行密封处理，密封装置62用于对外周边中的上端部47执行密封处理。
因此，在相关技术的对袋型电池单元10的袋型壳体40执行密封(sealing)处理的情形中，在袋型壳体40的外周边中的一个侧部46的密封处理和上端部47的密封处理中，通过热压以两个阶段分离地执行密封处理。
然而，在密封袋型壳体40的上端的处理中，由于设置了由金属材料形成的电极端子31而容易引起热传导，所以与未形成电极端子31的一个侧部46的密封处理相比，花费更多的时间来加热袋型壳体40的上端部47，因此通过一个加热构件不能同时执行一个侧部46的密封处理和上端部47的密封处理。因此，袋型壳体的密封处理分为两个阶段并且以两个阶段来执行，存在由于设备成本和制造时间延迟而增加制造成本的问题。
因此，非常需要能够从根本上解决这样的问题的技术。
发明内容
技术问题
提供本公开内容以解决相关技术的上述技术问题。
尤其是，当袋型壳体的外周边被感应加热线圈中产生的磁场感应加热到能进行热熔合以形成密封剩余部分的温度时，本公开内容的电池单元制造设备有效地减少了用于袋型壳体的密封处理的时间。
技术方案
根据本公开内容的一个方面，提供了一种电池单元制造设备，
其是用于制造电池单元的设备并且配置成利用感应加热将袋型壳体的外周边热熔合来形成密封剩余部分，所述设备包括：
托架，所述托架配置成固定和安装电池单元；
至少一个感应加热线圈，所述至少一个感应加热线圈是通过在与所述外周边对应的位置处缠绕电线至少一次而形成的，以在其上要形成所述密封剩余部分的所述袋型壳体的所述外周边中产生感应电流；
电源供给部，所述电源供给部配置成给所述感应加热线圈提供交流电流；以及
至少两个按压构件，所述至少两个按压构件配置成按压其上要形成所述密封剩余部分的所述袋型壳体的所述外周边的两侧，
其中，
所述袋型壳体的所述外周边被所述感应加热线圈中产生的磁场感应加热到能进行热熔合以形成所述密封剩余部分的温度。
在此，感应加热，也称为射频加热器，利用下述原理：在线圈中放置要成为加热对象的金属导体之后，当将交流电流施加到线圈时，在作为加热对象的金属导体中产生涡电流，由于所产生的涡电流的损耗，金属导体自身被加热。
因此，与其中以两个阶段对袋型壳体执行密封处理的相关技术中不同，在根据本公开内容的电池单元制造设备中，当袋型壳体的外周边被感应加热线圈中产生的磁场感应加热到能进行热熔合以形成密封剩余部分的温度时，袋型壳体的外周边的一个侧部以及袋型壳体的上端部和下端部可同时经过密封处理并且可被热压和密封，使得用于密封处理的时间缩短。
就是说，在本公开内容的电池单元制造设备中，由于利用感应加热原理对袋型壳体的整个外周边加热，因此可同时执行外周边的一个侧部的密封处理以及外周边的上端部和下端部的密封处理。
在一个具体示例中，袋型壳体从电池单元的内部到外部可包括：作为内层的具有热熔合特性的第一树脂层、具有材料阻挡特性的金属层、以及作为外层的第二树脂层。
在一个具体示例中，由感应加热线圈产生的磁场在袋型壳体的金属层中可产生感应电流，以加热袋型壳体的外周边。具体来说，金属层可由铝或铝合金制成。
在一个具体示例中，能进行热熔合的温度可以是袋型壳体的第一树脂层熔化的温度，该温度可在150℃至250℃的范围内。
在一个具体示例中，第一树脂层可以是选自由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PE-PP共聚物和PE-PP共混树脂构成的组中的一种或多种，第二树脂层可以是选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、特多龙类树脂、维尼纶类树脂和尼龙类树脂构成的组中的一种或多种。
在一个具体示例中，当从上方观察时，感应加热线圈具有“ロ”形状，并且感应加热线圈包括相对于地面分别位于电池单元的上方和下方的第一感应加热线圈和第二感应加热线圈。
为了减小在第一感应加热线圈和第二感应加热线圈的每一个中产生的磁场的强度差异，第一感应加热线圈和第二感应加热线圈可具有相同数量的电线绕组。为此，在第一感应加热线圈和第二感应加热线圈的每一个中流动的交流电流的幅度和方向可设定为彼此相同。
在一个具体示例中，感应加热线圈的缠绕形状可以是具有与袋型壳体的外周边对应的尺寸的形状，并且感应加热线圈可在与其上要形成密封剩余部分的袋型壳体的外周边对应的位置处与袋型壳体间隔开。
在一个具体示例中，感应加热线圈可被设定为供应40Hz或更高至100Hz或更低的高频交流电流，使得由在感应加热线圈中流动的高频交流电流产生的感应电流可以以基于总感应电流的50％或更多集中在袋型壳体的外周边上。
在一个具体示例中，按压构件可以是电绝缘体，具体来说，当从上方观察时，按压构件可具有“匸”形状，并且按压构件可形成为相对于地面面对袋型壳体的上表面和下表面。
本公开内容还提供了一种使用电池单元制造设备来制造电池单元的方法。
一种制造电池单元的方法，包括：
(a)把要经过密封(sealing)处理的电池单元固定和安装到托架上；
(b)从电源供给部给感应加热线圈供应交流电流并且通过在感应加热线圈中产生的磁场将袋型壳体的外周边感应加热到能进行热熔合的温度；和
(c)在与袋型壳体的外周边对应的位置处对至少两个按压构件按压和热熔合。
在一个具体示例中，能进行热熔合的温度可在150℃至250℃的范围内。
可给感应加热线圈供应40Hz或更高至100Hz或更低的高频交流电流。
电池单元可以是具有高能量密度、放电电压和输出稳定性的锂二次电池。下面将详细描述根据本公开内容的锂二次电池的其他部件。
通常，锂二次电池包括正极、负极、隔膜和含锂盐的非水电解质溶液。
例如，可通过在正极集流体上施加正极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物、然后干燥所得物来制造正极，并且根据需要可进一步向该混合物中添加填料。
正极活性材料可以是能够引起电化学反应的材料，作为锂过渡金属氧化物，包括两种或更多种过渡金属，例如，诸如锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)等之类的用一种或多种过渡金属取代的层状化合物；用一种或多种过渡金属取代的锂锰氧化物；由化学式LiNi1-yMyO2表示的锂镍类氧化物(其中，M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、Cr、Zn或Ga，并且含有上述元素中的至少一种元素，0.01≤y≤0.7)；诸如Li1+zNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Li1+ zNi0.4Mn0.4Co0.2O2等之类的由化学式Li1+zNibMncCo1-(b+c+d)MdO(2-e)Ae表示的锂镍钴锰复合氧化物(其中，-0.5≤z≤0.5，0.1≤b≤0.8，0.1≤c≤0.8，0≤d≤0.2，0≤e≤0.2，b+c+d<1，M＝Al、Mg、Cr、Ti、Si或Y，并且A＝F、P或Cl)；由化学式Li1+xM1-yM'yPO4-zXz表示的橄榄石类锂金属磷酸盐(其中，M＝过渡金属，优选为Fe、Mn、Co或Ni，M'＝Al、Mg或Ti，X＝F、S或N，并且-0.5≤x≤+0.5，0≤y≤0.5，0≤z≤0.1)等。然而，本公开内容不限于此。
通常，以基于包括正极活性材料的混合物的总重量的1至20wt％的量添加导电材料。导电材料没有特别限制，只要导电材料表现出高导电性且同时在应用导电材料的电池中导电材料不引起任何化学变化即可。导电材料的示例包括：石墨，诸如天然石墨、人造石墨等；炭黑，诸如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉法炭黑、灯黑、热黑等；导电纤维，诸如碳纤维、金属纤维等；金属粉末，诸如氟化碳粉末、铝粉、镍粉等；导电晶须，诸如氧化锌、钛酸钾等；导电金属氧化物，诸如钛氧化物等；导电材料，诸如聚苯撑衍生物等。
填料是抑制正极膨胀的组分，并且是选择性使用的。可使用不会引起电池化学变化并且具有纤维相的任何材料而没有限制。例如，可使用烯烃类聚合物，诸如聚乙烯、聚丙烯等；纤维相材料，诸如玻璃纤维、碳纤维等。
此外，例如可通过在负极集流体上施加负极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物，然后进行干燥来制造负极。根据需要可进一步向该混合物中添加填料。此外，负极活性材料可以是选自由石墨碳、焦炭类碳和硬碳构成的组中的至少一种。
上述电池单元的元件在本领域中是已知的，因此在本公开内容中将省略其描述。
有益效果
如上所述，与其中以两个阶段对袋型壳体执行密封处理的相关技术中不同，在根据本公开内容的电池单元制造设备中，当袋型壳体的外周边被感应加热线圈中产生的磁场感应加热到能进行热熔合以形成密封剩余部分的温度时，袋型壳体的外周边的一个侧部以及袋型壳体的上端部和下端部可同时经过密封处理并且可被热压和密封，使得用于密封处理的时间缩短。
附图说明
图1是示出典型的常规袋型二次电池的一般结构的分解透视图；
图2是示出利用典型的常规电池单元制造设备形成袋型电池单元的密封剩余部分的示意性平面图；
图3是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元在密封处理之前的状态的示意性透视图；
图4是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元以及电池单元制造设备的托架和按压构件的示意性分解透视图；
图5是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元和电池单元制造设备的示意性分解透视图；
图6是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元的剖面图和局部放大图的示意性透视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开内容的示例性实施方式，本公开内容的范围不限于此。
图3是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元在执行密封处理之前的状态的示意性透视图，图4是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元以及电池单元制造设备的托架和按压构件的示意性分解透视图，图5是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元和电池单元制造设备的示意性分解透视图。
参照图3到图5，根据本公开内容的电池单元制造设备100是配置成利用感应加热将袋型壳体210的外周边212热熔合来形成密封剩余部分的设备。
具体来说，电池单元制造设备100包括：托架130，其配置成固定和安装电池单元200；两个感应加热线圈110和111，其是通过在与外周边212对应的位置处缠绕电线至少一次而形成的，以在其上要形成密封剩余部分的袋型壳体210的外周边212中产生感应电流；电源供给部140，其配置成给感应加热线圈110和111提供交流电流；以及至少两个按压构件120和121，其配置成按压其上要形成密封剩余部分的袋型壳体210的外周边212的两侧。
在此，电源供给部140包括配置成给感应加热线圈110提供交流电流I的连接端子141、142、143和144。
此外，袋型壳体210的外周边212被感应加热线圈110中产生的磁场感应加热到能进行热熔合以形成密封剩余部分的温度。
当从上方观察时，感应加热线圈110具有“ロ”形状，并且第一感应加热线圈110和第二感应加热线圈111相对于地面分别位于电池单元200的上方和下方。
在此，为了减小在第一感应加热线圈110和第二感应加热线圈111的每一个中产生的磁场的强度差异，第一感应加热线圈110和第二感应加热线圈111具有相同数量的电线绕组。为此，在第一感应加热线圈110和第二感应加热线圈111的每一个中流动的交流电流I的幅度和方向被设定为彼此相同。
同时，感应加热线圈110的缠绕形状是具有与袋型壳体210的外周边212对应的尺寸的形状，并且感应加热线圈110在与其上要形成密封剩余部分的袋型壳体210的外周边212对应的位置处与袋型壳体210间隔开。
此外，电源供给部140设置为给感应加热线圈110提供40Hz或更高至100Hz或更低的高频交流电流，使得由在感应加热线圈110中流动的高频交流电产生的感应电流以基于总感应电流的50％或更多集中在袋型壳体210的外周边212上。
在此，按压构件120是电绝缘体，当从上方观看时其具有“匸”形状，并且按压构件120和121形成为相对于地面来说面对袋型壳体210的上表面和下表面。
图6是示出根据本公开内容一个示例性实施方式的电池单元的剖面图和局部放大图的示意性透视图。
参照图3和图6，袋型壳体210从电池单元200的内部到外部包括：作为内层的具有热熔合特性的第一树脂层166、具有材料阻挡特性的金属层164、以及作为外层的第二树脂层162。
因此，由感应加热线圈110和111产生的磁场在袋型壳体210的金属层164中产生感应电流，以加热袋型壳体210的外周边212。在此，金属层164由铝或铝合金制成。
此外，能将袋型壳体210的外周边212热熔合的温度是袋型壳体210的第一树脂层166熔化的温度，该温度在150℃至250℃的范围内。
在此，第一树脂层166由聚丙烯(PP)制成，第二树脂层162由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂制成。
如上所述，与其中以两个阶段对袋型壳体执行密封处理的相关技术中不同，在根据本公开内容的电池单元制造设备中，当袋型壳体的外周边被感应加热线圈中产生的磁场感应加热到能进行形成密封剩余部分的热熔合的温度时，袋型壳体的外周边的一个侧部以及袋型壳体的上端部和下端部可同时经过密封处理并且可被热压和密封，使得密封处理时间缩短。
Claims (19)
1.一种通过利用感应加热将袋型壳体的外周边热熔合来形成密封剩余部分的电池单元制造设备，包括：
托架，所述托架配置成固定和安装电池单元；
一个或多个感应加热线圈，所述一个或多个感应加热线圈是通过在与所述外周边对应的位置处缠绕电线至少一次而形成的，以在其上要形成所述密封剩余部分的所述袋型壳体的所述外周边中产生感应电流；
电源供给部，所述电源供给部配置成给所述感应加热线圈提供交流电流；以及
至少两个按压构件，所述至少两个按压构件配置成按压其上要形成所述密封剩余部分的所述袋型壳体的所述外周边的两侧，
其中，
所述袋型壳体的所述外周边被所述感应加热线圈中产生的磁场感应加热到能进行热熔合以形成所述密封剩余部分的温度。
2.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中所述袋型壳体从所述电池单元的内部到外部包括：作为内层的具有热熔合特性的第一树脂层、具有材料阻挡特性的金属层、以及作为外层的第二树脂层。
3.根据权利要求2所述的电池单元制造设备，其中由所述感应加热线圈产生的所述磁场在所述袋型壳体的所述金属层中产生感应电流，以加热所述袋型壳体的所述外周边。
4.根据权利要求3所述的电池单元制造设备，其中所述金属层由铝或铝合金制成。
5.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中能进行所述热熔合的所述温度是所述袋型壳体的所述第一树脂层熔化的温度。
6.根据权利要求5所述的电池单元制造设备，其中所述第一树脂层熔化的所述温度在150℃至250℃的范围内。
7.根据权利要求2所述的电池单元制造设备，其中所述第一树脂层是选自由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PE-PP共聚物和PE-PP共混树脂构成的组中的一种或多种，所述第二树脂层是选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、特多龙类树脂、维尼纶类树脂和尼龙类树脂构成的组中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中当从上方观察时，所述感应加热线圈具有形状。
9.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中所述感应加热线圈包括相对于地面分别位于所述电池单元的上方和下方的第一感应加热线圈和第二感应加热线圈。
10.根据权利要求9所述的电池单元制造设备，其中所述第一感应加热线圈和所述第二感应加热线圈具有相同数量的电线绕组。
11.根据权利要求9所述的电池单元制造设备，其中在所述第一感应加热线圈和所述第二感应加热线圈的每一个中流动的交流电流的幅度和方向彼此相同。
12.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中所述感应加热线圈的缠绕形状是具有与所述袋型壳体的所述外周边对应的尺寸的形状。
13.根据权利要求12所述的电池单元制造设备，其中所述感应加热线圈在与其上要形成所述密封剩余部分的所述袋型壳体的所述外周边对应的位置处与所述袋型壳体间隔开。
14.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中所述感应加热线圈被供应40Hz或更高至100Hz或更低的高频交流电流。
15.根据权利要求14所述的电池单元制造设备，其中由在所述感应加热线圈中流动的所述高频交流电流产生的感应电流以基于总感应电流的50％或更多集中在所述袋型壳体的所述外周边上。
16.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中所述按压构件是电绝缘体。
17.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中当从上方观察时，所述按压构件具有形状。
18.根据权利要求1所述的电池单元制造设备，其中所述按压构件相对于地面面对所述袋型壳体的上表面和下表面。
19.一种使用根据权利要求1至18中任一项所述的电池单元制造设备来制造电池单元的方法，包括：
(a)把要经过密封(sealing)处理的电池单元固定和安装到托架上的工序；
(b)从电源供给部给感应加热线圈供应交流电流并且通过在所述感应加热线圈中产生的磁场将袋型壳体的外周边感应加热到能进行热熔合的温度的工序；和
(c)在与所述袋型壳体的所述外周边对应的位置处对至少两个按压构件按压和热熔合的工序。
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