一种电池极片裁切方法和包含该方法的电池芯组装方法与流程

本发明涉及一种电池极片裁切方法和包含该方法的电池芯组装方法，具体而言，本发明涉及一种叠片型电池芯的电池极片裁切方法和包含该方法的电池芯组装方法。

背景技术：

锂离子电池是理想化学能源，具有体积小、电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电率低等优点。随着电动交通工具市场规模的增长，具有高倍率放电性能的动力型锂电池呈现出供不应求的趋势，电池芯组装精度和速度是其中一个主要的制约因素。

包含锂离子电池在内，将活性材料做成膜片形状的电池芯结构均为片状的相对的正负极片，以及夹在中间的隔膜，膜片形状的电池芯结构有卷绕和叠片两种，两种结构对应的组装方法的优缺点如下：

卷绕结构的电池芯的组装工艺方法简单易行，效率高，机械自动化容易，但卷绕结构的电池内部结构存在弯折，因此存在内部反应不均匀、弯折处易破裂、电池分布不均匀的问题，因此在交通工具上应用时易出现极片内部褶皱、弯折处破裂、局部发热严重的现象，不能满足动力电池安全性能需求。

叠片结构的电池从结构上解决了以上安全性能问题，且叠片结构会大幅度减少电池的内阻。此外叠片结构的电池设计灵活，可以做出非常规形状的电池。但目前现有叠片结构电池的电极裁切、电池芯组装工艺方法的机械全自动化难，设备成本高、生产控制难且组装效率低。

因此必须对现有叠片结构的电池极片裁切方法和电池芯组装工艺方法进行改进，提供一种易自动化、设备成本低、组装效率高、定位精度高的叠片电池组装工艺方法。

现有技术对比

传统的电池芯叠片组装工艺方法如下：

切片：切片方法与电池设计及涂布设计方式有关。图1为例举涂膜整卷极片(以下称为极片膜卷)展开的片段示意图，其中，空白区域即极耳留白 区域，这里不涂布活性材料；斜线阴影区域为涂布区域，这里为涂布了活性材料的区域，即反应的区域。根据本专利的关注点，切片的方法可以分成两种类型。一种是极耳留白区域与涂布区域等宽，例举极片如图2所示。此种类型切片中一般采用分条加裁片或直接裁片的方式，也可以采用模切方式，采用模切方式时，刀模即为极片形状。另一种是极耳区域与涂布区域不等宽，例举极片如图3所示。此种类型切片一般采用模切的方式，即采用极片形状的刀模模切图1所示的极片膜卷，以得到极片的切片。

清扫：当切片完成后，由于切片边缘可能会存在掉料、落灰或毛刺，影响电池性能，因此需要将切片进行清扫。正负极的切片均需要进行本步骤。在自动化过程中，单片切片无法准确定位及运输，因此一般需将切片进行整理，然后利用设备进行清扫。

叠片：按照电池设计取所述清扫后的切片，利用隔离纸将正极和负极隔开，进行多层层叠。根据隔离纸引入的机械方式或隔离纸设计结构，叠片的工艺方式有之字式、卷绕式和制袋式(参见图4-图6，其分别为之字式、卷绕式和制袋式的叠片工艺)。这里的卷绕式是指正极负极和隔离纸引入的方式，与上文所述的卷绕结构的电池芯不同。

焊接：将叠片完成的产品中正负极各自留白区域进行焊接，同时焊上极耳。

利用现有电池芯叠片组装工艺方法，在自动化生产过程中存在以下问题：

1、制备大面积电池时，需切取大面积的极片，若要实现极耳区域与涂布区域不等宽时需提供大面积的模具，而大面积的模具增大了设备成本、生产成本，同时产品质量控制难度增加，会出现如极片变形、极片斜切甚至极片褶皱的现象。

2、极片层叠后需要进行定位整理，以便极片边缘对齐，该过程往往会对极片边缘形成不可逆破坏或使极片褶皱。

3、当极片较大时，极片易发生弯曲，因此层叠过程中精度难以控制，容易发生错位，则产品的一致性难以保证。

4、采用传统叠片组装工艺方法，需对每片极片进行拾取操作，而单片极片的拾取自动化时连续性周期时间长，因此生产效率低、自动化成本高、生产控制难。

技术实现要素：

技术问题：

针对现有叠片电池芯组装工艺方法速度与性能不能兼顾等方面的不足，本发明的一个目的是解决叠片电池芯组装工艺繁杂、自动化成本高、产品一致性差、生产控制难且组装效率低的技术问题。

技术方案

本专利提供的新型组装工艺方法有别于传统叠片工艺方法，其工序为：去废、清扫、叠带、分离及焊接。该工艺方法与传统工艺方法的最大区别在于合理利用极片结构和多层走带方式的结合，实现工序的简并及连续性，大幅度降低设备自动化成本、生产成本，提高产品的成品率。

根据本发明的一个技术方案，其提供了一种新的电池极片裁切方法，该方法包括以下步骤：

a)极片膜卷设计

根据极片形状在极片膜卷上设计出切割区域、保留区域、连接区域，其中，保留区域的形状为极片在极片膜卷上周期相连排列的形状，且相邻的极片相连接的部分被称为连接区域，切割区域为极片膜卷上去除保留区域后待切割的区域的形状；

b)去废切割及清扫

通过切除在上述的极片膜卷设计中的所述切割区域，而在极片膜卷上进行去废切割，以得到想要的极片在极片膜卷上局部相连的结构，且极片膜卷的上述切割区域在切割后成为空隙区域；所述去废切割的方式没有特别限制，其非限制性实例包括模切、冲切、激光切割、圆刀模切方式；在去废切割同时或者去废切割之后，收集切除的切割区域部分，并清扫切口。

优选地，所述去废切割采用模切方式进行，其中，所述模切的刀模图案与所述切割区域的形状相对应；

优选地，所述去废切割采用激光切割的方式进行；

优选地，所述去废切割采用圆刀模切的方式进行；

其中，所述圆刀模切包括刀辊1和辅助辊4，

所述刀辊1上设置有刀模2，刀模2的位置根据所述极片膜卷设计而间歇设置，所述刀模2的形状根据所述极片膜卷设计而设置；

优选地，刀模2的中间镂空，与辊内层相连，辊内层为中空辊3，连接外部抽气管道以进行切口的清扫；

优选地，在所述去废切割的同时收集切除的切割区域部分；

根据本发明的另一个实施方式，其进一步提供了一种电池芯组装方法，该方法包含上述的电池极片裁切方法，还包括：

c)叠带

将去废切割后的局部相连的正极极片膜卷和负极极片膜卷以隔膜相间隔地隔开进行层叠得到相互连接的单电池芯，层叠完成后，将所述空隙区域位置的隔膜结合固定。结合固定的方式没有限制，其可采用加热方式、加压方式，具体包括但不限于以下方法：胶黏、条状热封、电加热点焊、超声波点焊、激光焊接等。

d)分离及焊接

将在步骤c)中得到的相互连接的单电池芯沿所述连接区域切开从而分离，以得到单电池芯并进行极耳焊接。

切开的方式没有特别限制，例如可采用分条、裁切、剪切或模切的方式。

分离和焊接的顺序没有特别限制，可以先分离再焊接，或者先焊接再分离，甚至可以同时进行。

所述极耳焊接方法没有特别限制，可以采用本领域常规的方法，例如超声波点焊、电加热点焊、激光焊接等。优选地，所述电池芯包括锂离子电池电池芯或超级电容器电池芯。

有益效果

本发明的极片裁切方法和电池芯组装方法改进了传统叠片工艺，实现工序的简并及连续性，大幅度降低设备自动化成本、生产成本、提高生产效率、增加产品的成品率及一致性。具体而言：

1、采用去废切割的方式，模具的大小与极片面积大小不相关，因此模具可利用率高、且加工及更换简单，因此设备成本低，使用灵活度高。同时由于切取部位面积小，产品质量控制容易，材料废弃率低。

2、通过极片局部连接的设计来实现极片的连续走带传送，降低了电池芯组装过程中工序复杂程度，从而降低设备自动化成品并使生产易于控制，提高产品质量。

3、通过极片局部连接的设计来实现极片与隔离纸相间层叠的叠带方法，无需对单片极片进行操作，避免极片拾取、定位及对齐过程中对极片产生损伤。

4、叠带后多层工件一起固定，避免工件传送过程中引起的极片弯曲，并使多层层叠位置一致，保障了样件精度及一致性，提高产品成品率。

5、在新型电池芯组装工艺中，能够实现加工、传送一体化的自动化技术应用，从而用较低的成本解决传统工艺中的叠片速度慢、连续性传送周期长的问题。

附图说明

图1为涂膜之后，切片前的整卷极片(称为极片膜卷)展开的片段例举示意图。

图2为极耳留白区域与涂布区域等宽的极片的例举示意图。

图3为极耳区域与涂布区域不等宽的极片的例举示意图。

图4为之字式叠片工艺的示意图。

图5为卷绕式叠片工艺的示意图。

图6为制袋式叠片工艺的示意图。

图7为根据本发明的实施例1-3中的极片膜卷设计的示意图。

图8为根据本发明的实施例1-3的去废切割之后的极片膜卷的示意图。

图9为点焊式制袋固定的设计方案图(图中空心小圆圈标示)及极耳超声波焊接位置示意图(图中小方块标示)。

图10为根据本发明的实施例4的去废切割之后的极片膜卷的示意图。

图11为根据本发明的实施例5的去废切割之后的极片膜卷的示意图。

图12为在实施例3中所使用的圆刀模切的示意图。

附图标记

1 刀辊

2 刀模

3 中空辊

4 辅助辊

11 极耳留白区域

12 涂布区域

71 保留区域

72 切割区域

73 连接区域

81 空隙区域

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施工艺方法和具体设备原理，但本发明需保护的范围不限于下述的实施例。

实施例1

涂膜之后，切片前的极片膜卷(以正极极片膜卷为例，负极极片膜卷类似处理)如图1所示，拟完成的电池芯组装示意图如图3所示。

该电池极片裁切方法的具体步骤如下：

a)极片膜卷设计

如图7所示，根据图3的极片形状在极片膜卷上设计出切割区域72、保留区域71(包含涂布区域和上方的极耳留白区域)、连接区域73，其中，保留区域的形状为极片在极片膜卷上周期相连排列的形状，且相邻的极片相连接的部分被称为连接区域，切割区域为极片膜卷上去除保留区域后待切割的区域的形状；

b)去废切割及清扫

通过模切去除图7中的所述切割区域以得到图8所示的极片在极片膜卷上局部相连的结构，且极片膜卷的上述切割区域在切割后成为空隙区域81；在去废切割之后清扫切口；

其中，所述模切的刀模图案与所述切割区域72的形状相对应；

c)叠带

如图9所示，将去废切割后的局部相连的正极极片膜卷和负极极片膜卷以隔膜相间隔地隔开进行层叠得到相互连接的单电池芯，层叠完成后，将所述空隙区域位置的隔膜结合固定，即，在图中空心小圆圈的部位以电加热点焊固定；

d)分离及焊接

如图9所示，在图中极耳留白区域的小方块部位以超声波点焊焊接极耳，并将在步骤c)中得到的相互连接的单电池芯沿叠带后的连接区域冲切分离；以得到单片电池芯；

然后进行常规的封装、加液静置、密封、化成等工艺，得到电池芯。

实施例2

涂膜之后，切片前的极片膜卷(以正极极片膜卷为例，负极极片膜卷类似处理)如图1所示，拟完成的电池芯组装示意图如图3所示。

除了采用激光切割去废的方式代替模切去废以外，以与实施例1相同的方式组装电池芯。

实施例3

涂膜之后，切片前的极片膜卷(以正极极片膜卷为例，负极极片膜卷类似处理)如图1所示，拟完成的电池芯组装示意图如图3所示。

除了采用圆刀模切去废的方式代替模切去废以外，以与实施例1相同的方式组装电池芯。

其中，所述圆刀模切的结构如图12所示，其中，上辊为刀辊1，所述刀辊上设置有刀模2，刀模2根据上述的极片膜卷设计而间隔设置，所述刀模2的形状与实施例1中所述的刀模形状相同，间隔处可安装毛刷或胶毡，进行断口及表面清扫，刀模2的中间镂空，与辊内层相连，辊内层为中空辊3，连接外部抽气管道以进行切口的清扫；下辊为辅助辊，是双层结构的圆辅助辊4，外层为辊套，内层为圆辊。

实施例4

涂膜之后，切片前的极片膜卷(以正极极片膜卷为例，负极极片膜卷类似处理)如图1所示，拟完成的电池芯组装示意图如图3所示。

除了进行极片膜卷设计，以使得模切之后的极片膜卷为如图10所示的结构以外，以与实施例1相同的方式组装电池芯。

实施例5

涂膜之后，切片前的极片膜卷(以正极极片膜卷为例，负极极片膜卷类似处理)如图1所示，拟完成的电池芯组装示意图如图2所示。

除了进行极片膜卷设计，以使得模切之后的极片膜卷为如图11所示的结构以外，以与实施例1相同的方式组装电池芯。

以上所述是根据本发明中所提供部分方法组合形成的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，进行其它组合、省略、改进或润饰使用方法，可以形成若干种实施方法，这些基于本发明原理形成的实施方法也应视为本发明的保护范围。