一种锂离子叠片电池制造装置的制作方法

本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体而言涉及一种锂离子叠片电池制造装置。

背景技术：

目前锂离子电池的电芯主要采用卷绕、叠片两种工艺方法，卷绕式电芯由于其截面是圆形或椭圆形，在电池的充放电期间，电极的膨胀和收缩会导致电极之间的间隙不均匀，电极活性材料易在弯折处脱落等会导致内部反应不均匀，从而直接造成电池性能下降。同时还存在极片较长、电池内阻大，不利于大倍率充放电，比功率小、空间利用率低等缺点。

相比传统的卷绕工艺，叠片工艺的优点主要体现在以下几个方面：叠片电池有着更好的循环特性、安全特性和能量密度，有均匀一致的反应界面，极片表面平整，没有了长度方向上的张力影响，极片和隔膜的接触更为优良，活性物质的容量得到了充分发挥，性能得到了根本改善；叠片结构有更均匀一致的电流密度、优良的内部散热性能，更适合大功率充放电；适合大容量、异形电池的生产。

但是，制约叠片工艺广泛应用的最大障碍是其电池制作效率相对较低，需要经过切片、叠片工序。目前的叠片电池制作方法主要有：Z形叠片法、层叠法、四层单元堆叠法。Z形叠片法是将先隔膜Z形折叠，隔膜两侧再分别放置裁切好的正、负极片，缺点是由于极片与极片之间的粘滞力等因素的影响，机械手吸盘吸取极片时可能错误地吸取两片甚至更多极片，导致正负极极片数量不一致、极片数量超过工艺标准等，这都在很大程度上影响了电池的性能。层叠法是借助机械手分别将隔膜、正极片、负极片按照隔膜—负极片—隔膜—正极片的顺序依次层叠一定层数。四层单元堆叠法是先将隔膜—负极片—隔膜—正极片在热压机中压成四层单元，再依靠机械手依次堆叠四层单元至指定层数。层叠法和四层单元堆叠法都需要多台机械手协同作业，但由于隔膜或极片都是柔性体，不易抓取，且放置时的定位精度难以保证。

因此，制备锂离子叠片电池急切需要一种能够同时克服上述缺陷且提高劳动生产率的装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种锂离子叠片电池制造装置，该装置能够实现叠片电池的极片裁切、四层单元热压、隔膜切割、四层单元堆叠功能。该装置将正负极片裁切、四层单元叠片、四层单元预热、四层单元热压有效的整合在一起，无需机械手进行频繁的四层单元堆叠作业，而且四层单元堆叠过程中可实现堆叠、压紧同时进行，不仅提高了堆叠的精度，而且大大提高了效率。本实用新型装置结构紧凑、简单，即使在长期使用后仍具有良好的性能表现，可有效降低电池制造成本，提高电池制造企业的竞争力。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种锂离子叠片电池制造装置，包括依次设置极片切叠机构、热压滚轮、单元进给机构和将四层单元堆叠至预定层数的单元堆叠机构，原料带经极片切叠机构形成叠片料带后输送至热压滚轮，由热压滚轮对叠片料带进行热复合形成单元料带后输送至单元进给机构，由单元进给机构对单元料带进行切割形成四层单元并传输至单元堆叠机构。

进一步地，所述极片切叠机构包括依次设置的第一隔膜卷、负极卷、第二隔膜卷和正极卷，第一隔膜卷和第二隔膜卷放出的隔膜原料带经第一原料传送部输送至压叠部，负极卷和正极卷放出的正负极原料带经第二原料传送部输送至压叠部。

进一步地，第一原料传送部由依次设置的隔膜张力轮、隔膜过渡轮、隔膜纠偏传感器和用于带动隔膜原料带的隔膜纠偏驱动辊组成。

进一步地，第二原料传送部由极片张力轮、极片过渡轮、极片纠偏传感器、用于带动正极或负极原料带的极片纠偏驱动辊和切割器组成。

进一步地，所述压叠部包括固定轴及沿固定轴周向设置的转轮，转轮圆周面间隔设置有多个压轮，压轮两端分别通过压轮支架和固定轴的端部连接。

进一步地，热压滚轮与转轮对称配合设置且转向相反，叠片料带经热压滚轮热压后形成单元料带。

进一步地，单元进给机构由依次设置的单元进给张力轮、单元进给过渡轮、单元进给纠偏传感器、用于带动单元料带的单元进给纠偏驱动辊和单元切割器组成，单元料带依次经过单元进给张力轮、单元进给过渡轮、单元进给纠偏传感器、单元进给纠偏驱动辊和单元切割器。

进一步地，堆叠机构包括至少两套单元夹持机构和单元堆叠箱。

进一步地，单元夹持机构包括一侧开口的夹持架，夹持架底面固设多个与单元料带宽度方向平行的单元压辊，夹持架前后两内侧靠近中间位置设置两单元夹棍，一单元夹棍的一端通过一夹棍电机与夹持架一前内侧固接，另一单元夹棍的一端通过另一夹棍电机与夹持架后内侧固接，两单元夹棍与多个单元压辊相互平行。

进一步地，夹持架右侧还固设有传动机构。

进一步地，传动机构包括固接在夹持架右侧外侧面上的气缸推块、气缸导杆和气缸，气缸推块通过气缸导杆和气缸的一端连接。

进一步地，单元堆叠箱包括“凹”形底座，底座包括左箱壁和右箱壁，左箱壁和右箱壁之间固接堆叠板，堆叠板上设置卸料槽，堆叠板和底座上底面之间垂直固设导杆弹簧和导杆。

进一步地，右箱壁比左箱壁高，气缸的另一端与右箱壁固接，单元夹持机构和单元堆叠箱上下配合设置，单元堆叠箱位于单元夹持机构的右下方。

进一步地，单元夹持机构正下方设置有铅垂方向的单元传送机构，单元传送机构包括两组相互配合且转向相反的传送轮，每组传送轮上设置用于将四层单元向下一单元夹持机构运送的传送带。

本实用新型的工作原理及工作过程为：

利用本实用新型装置进行锂离子叠片电池的制作时，沿转轮旋转方向依次布置第一隔膜卷、负极卷、第二隔膜卷、正极卷。两隔膜原料带分别依次穿过隔膜张力轮、隔膜过渡轮、隔膜纠偏传感器、隔膜纠偏驱动辊，第一隔膜纠偏驱动辊带动第一隔膜原料带进料，通过第一隔膜纠偏传感器检测位置偏差并反馈给第一隔膜纠偏驱动辊，第一隔膜纠偏驱动辊将调整第一隔膜原料带的进料位置，当第一隔膜原料带到达转轮的圆周面时，此时压轮将使第一隔膜原料带紧贴转轮圆周面并随转轮运动。

负极原料带依次穿过负极张力轮、负极过渡轮、负极纠偏传感器、负极纠偏驱动辊、负极切割器，负极纠偏驱动辊带动负极原料带进料，通过负极纠偏传感器检测位置偏差并反馈给负极纠偏驱动辊，负极纠偏驱动辊将调整负极原料带的进料位置，当负极原料带到达转轮的圆周面时，此时压轮将使负极原料带紧贴在下方的第一隔膜原料带上并随转轮运动，当负极原料带出料一段距离后，负极切割器开始切断负极原料带，此时在转轮上可得到负极片。

针对正负极卷之间的第二隔膜卷而言，其第二隔膜原料带的运动过程与上述第一隔膜原料带的运动过程类似，当第二隔膜原料带到达转轮的圆周面时，此时压轮将使第二隔膜原料带紧贴在下方的负极片上并随转轮运动。

正极原料带依次穿过正极张力轮、正极过渡轮、正极纠偏传感器、正极纠偏驱动辊、正极切割器，正极纠偏驱动辊带动正极原料带进料，通过正极纠偏传感器检测位置偏差并反馈给正极纠偏驱动辊，正极纠偏驱动辊将调整正极原料带的进料位置，当正极原料带到达转轮的圆周面时，此时压轮将使正极原料带紧贴在下方的第二隔膜原料带上并随转轮运动，当正极原料带出料一段距离后，正极切割器开始切断正极原料带，此时在转轮上可得到正极片。

此时，第一隔膜—负极片—第二隔膜—正极片完成叠片动作，通过调整正、负极纠偏驱动辊的进料速度可实现正、负极片的中心对齐。转轮和热压滚轮的旋转方向相反且两者都通过内部电阻丝加热而达到一定的热压温度，转轮带动压轮沿转轮圆周面做绕自身中心轴线的旋转运动。此时的两层隔膜依然为料带形式，压轮使上述四组件紧贴转轮圆周面并随其运动到转轮底部，先通过转轮进行预热，继而借助热压滚轮进行极片热复合。热复合完成后，正、负极片与两隔膜原料带粘结在一起，形成单元料带。

单元料带依次穿过单元进给张力轮、单元进给过渡轮、单元进给纠偏传感器、单元进给纠偏驱动辊、单元切割器，单元进给纠偏驱动辊带动单元料带进料，通过单元进给纠偏传感器检测位置偏差并反馈给单元进给纠偏驱动辊，单元进给纠偏驱动辊将调整单元料带的进料位置。

当单元料带运动到单元夹辊位置时，此时的两个单元夹辊分别由两台夹辊电机驱动且旋转方向相反，单元料带被单元夹辊夹持并移动一段距离后，单元切割器开始切断两层隔膜，此时单元夹辊夹持的是单个四层单元。

单元夹辊夹持单个四层单元继续运动，此时气缸带动夹持架向靠近单元堆叠箱的位置靠近，初始堆叠时，右侧单元压辊的底部与堆叠板的上表面紧密接触，随夹持架的移动，左侧单元压辊将单个四层单元紧压在堆叠板的上表面，完成一个四层单元的放置。

然后气缸再带动夹持架快速向远离单元堆叠箱的位置移动，此过程中四层单元始终被单元压辊紧压在堆叠板上，当单元夹辊运动到单元切割器下方时，此时单元料带再次被单元夹辊夹持，单元夹辊夹持单元料带使其移动一段距离后，单元切割器开始切断两层隔膜，此时单元夹辊夹持的是单个四层单元。

单元夹辊夹持单个四层单元继续运动，此时气缸带动夹持架向靠近单元堆叠箱的位置靠近，左侧单元压辊将四层单元紧压在上述已堆叠四层单元的上表面，此时完成两个四层单元的堆叠。

依次循环进行，直至将四层单元堆叠至指定层数，堆叠板随四层单元堆叠层数的增加而逐渐下移。由于电池电芯是由若干四层单元和一个三层单元组成，此三层单元是隔膜—负极片—隔膜结构，该三层单元仍然通过上述极片切叠机构制作，只需正极卷停止供料即可得到。

完成电池电芯的制作后，单元夹辊回归到单元切割器的下方，此时气缸不再动作，利用人工或者机械手通过卸料槽、单元压辊之间的间隙将堆叠好的电芯取出进行包胶作业，至此单个电芯完成制作。

取出电芯的同时，单元夹辊依然继续旋转，单元料带再次被单元夹辊夹持，单元夹辊夹持单元料带使其移动一段距离后，单元切割器开始切断两层隔膜，此时单元夹辊夹持的是单个四层单元。此时的四层单元进入单元传送机构，传送轮带动传送带运动，两侧传送带夹持四层单元运动到下方的单元夹持机构，并在相应的单元堆叠箱完成电池电芯的制作。

重复上述过程，实现多个堆叠工位的循环利用。

由以上技术方案可知，本实用新型能够方便的实现四层单元的切片、叠片、热压、切隔膜工序，四层单元堆叠方式简单、高效，能够边压紧边堆叠，堆叠定位精度高。多堆叠工位的循环利用，不会产生堆叠等待时间，大大提高了生产效率。本实用新型装置即使在长期使用后仍具有良好的性能表现，可有效提高电池制造企业的核心竞争力。

附图说明

图1是本实用新型中锂离子叠片电池四层单元的三维结构示意图；

图2是本实用新型中锂离子叠片电池电芯的结构示意图；

图3是本实用新型装置的空间布局结构示意图；

图4是本实用新型装置中极片切叠机构的二维结构示意图；

图5是本实用新型装置中极片切叠机构的三维结构示意图；

图6是本实用新型装置中极片切叠机构的局部放大示意图；

图7是本实用新型装置中单元进给机构、单元堆叠机构的三维结构示意图；

图8是本实用新型装置单元堆叠机构中单元夹持机构的三维结构示意图；

图9是本实用新型装置单元堆叠机构中单元堆叠箱的三维结构示意图；

图10是本实用新型装置中单元夹持机构堆叠四层单元的过程示意图；

图11是本实用新型装置单元堆叠机构中单元传送机构的三维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

图1示出了本实用新型中锂离子叠片电池四层单元1的三维结构示意图，四层单元1是由隔膜11—负极片12—隔膜11—正极片13叠片后热复合形成的，其中负极片12上带有负极耳121，正极片13上带有正极耳131。由于隔膜11、负极片12、正极片13的尺寸不同，因此叠片时要使负极片12、正极片13的中心保持对齐。

图2是本实用新型中锂离子叠片电池电芯的结构示意图，叠片电池的电芯是由若干四层单元1和一个三层单元2相互堆叠构成，三层单元2是由隔膜11—负极片12—隔膜11叠片后热复合形成的。

图3是本实用新型装置的空间布局结构示意图，本实用新型装置主要由四部分组成：极片切叠机构3、热压滚轮4、单元进给机构5、单元堆叠机构6。

图4、图5、图6是本实用新型装置中极片切叠机构3的结构示意图，极片切叠机构3主要包括第一隔膜卷31-1、第二隔膜卷31-2、负极卷32、正极卷33、转轮34、固定轴35、压轮36、压轮支架361。第一隔膜卷31-1上的第一隔膜原料带310-1依次穿过第一隔膜张力轮311-1、第一隔膜过渡轮312-1、第一隔膜纠偏传感器313-1、第一隔膜纠偏驱动辊314-1；第二隔膜卷31-2上的第二隔膜原料带310-2依次穿过第二隔膜张力轮311-2、第二隔膜过渡轮312-2、第二隔膜纠偏传感器313-1、第二隔膜纠偏驱动辊314-2；负极卷32上的负极原料带320带有负极耳121，负极原料带320依次穿过负极张力轮321、负极过渡轮322、负极纠偏传感器323、负极纠偏驱动辊324、负极切割器325；正极卷33上的正极原料带330带有正极耳131，正极原料带330依次穿过正极张力轮331、正极过渡轮332、正极纠偏传感器333、正极纠偏驱动辊334、正极切割器335。

所述转轮34绕固定轴35的中心旋转，且转轮34内部配有用于加热的电阻丝；所述压轮支架361固连在固定轴35上，压轮支架361的末端连接有可绕其中心旋转的压轮36，且压轮36紧贴转轮34的圆周面。通过实验确定转轮34的温度为85-120 ℃；热压滚轮的热压温度为85-120 ℃，时间为1-5 s，压力为80-200 kgf/cm²范围内，第一隔膜、负极片、第二隔膜、正极片的叠合和热压性能较好。优选地，转轮34的温度为85 ℃、100 ℃、120 ℃，热压滚轮的热压温度为85 ℃、100 ℃、120 ℃，压力为80 kgf/cm²、150 kgf/cm²、200 kgf/cm²。

图7是本实用新型装置中单元进给机构5、单元堆叠机构6的三维结构示意图，单元料带51依次穿过单元进给张力轮52、单元进给过渡轮53、单元进给纠偏传感器54、单元进给纠偏驱动辊55、单元切割器56。单元堆叠机构6是由单元夹持机构61、单元堆叠箱62、单元传送机构63组成。

图8是本实用新型装置单元堆叠机构6中单元夹持机构61的三维结构示意图，单元夹持机构61由单元夹辊611、夹辊电机612、夹持架613、单元压辊614、气缸615、气缸导杆6151、气缸推块6152组成。其中夹辊电机612、气缸推块6152均固连在夹持架613上，夹持架613的下部连接有可绕自身中心轴线旋转的单元压辊614。

图9是本实用新型装置单元堆叠机构6中单元堆叠箱62的三维结构示意图，单元堆叠箱62主要由底座621、导杆622、导杆弹簧623、堆叠板624、左箱壁625、右箱壁626构成，且在堆叠板624上开有卸料槽6241。其中导杆622固连在堆叠板624上，导杆622与底座621形成圆柱配合；导杆弹簧623的两端分别固连在堆叠板624和底座621上；导杆622和堆叠板624均可上下移动。

图10是本实用新型装置中单元夹持机构61堆叠四层单元1的过程示意图，两个单元夹辊611相互反向旋转，夹持四层单元1向下运动，单元压辊614将四层单元1紧压在堆叠板624上，实现了四层单元1的边堆叠边压紧。

图11是本实用新型装置单元堆叠机构6中单元传送机构63的三维结构示意图，单元传送机构63主要由传送轮631、传送带632组成，两侧传送带632可夹持四层单元1向下游第二套单元夹持机构61运动，从而实现在第二套单元堆叠箱62的连续堆叠。

开始运行时，由图4、图5、图6可知，针对第一隔膜卷31-1而言，第一隔膜纠偏驱动辊314-1带动第一隔膜原料带310-1进料，通过第一隔膜纠偏传感器313-1检测位置偏差并反馈给第一隔膜纠偏驱动辊314-1，第一隔膜纠偏驱动辊314-1将调整第一隔膜原料带310-1的进料位置，当第一隔膜原料带310-1到达转轮34的圆周面时，此时压轮36将使第一隔膜原料带310-1紧贴转轮34圆周面并随转轮34运动。

针对负极卷32而言，负极纠偏驱动辊324带动负极原料带320进料，通过负极纠偏传感器323检测位置偏差并反馈给负极纠偏驱动辊324，负极纠偏驱动辊324将调整负极原料带320的进料位置，当负极原料带320到达转轮34的圆周面时，此时压轮36将使负极原料带320紧贴在下方的隔膜原料带310上并随转轮34运动，当负极原料带320出料一段距离后，负极切割器325开始切断负极原料带320，此时在转轮34上可得到负极片12。

针对中间的第二隔膜卷31-2而言，其与上述第一隔膜原料带310-1的运动过程类似，当第二隔膜原料带310-2到达转轮34的圆周面时，此时压轮36将使第二隔膜原料带310-2紧贴在下方的负极片12上并随转轮34运动。

正极原料带330的运动过程与上述负极原料带320类似，当正极原料带330到达转轮34的圆周面时，此时压轮36将使正极原料带330紧贴在下方的第二隔膜原料带310-2上并随转轮34运动，当正极原料带330出料一段距离后，正极切割器335开始切断正极原料带330，此时在转轮34上可得到正极片13。

此时，第一隔膜原料带310-1—负极片12—第二隔膜原料带310-2—正极片13完成叠片动作，通过调整正、负极纠偏驱动辊的进料速度可实现正、负极片的中心对齐。转轮34和热压滚轮4的旋转方向相反且两者都通过内部电阻丝加热而达到一定的热压温度，转轮34带动压轮36沿转轮34圆周面做绕自身中心轴线的旋转运动。此时的两层隔膜依然为料带形式，压轮36使上述四组件紧贴转轮34圆周面并随其运动到转轮34底部，先通过转轮34进行预热，继而借助热压滚轮4进行极片热复合。热复合完成后，正极片13、负极片12与两层隔膜原料带粘结在一起，形成单元料带51。

单元料带51依次穿过单元进给张力轮52、单元进给过渡轮53、单元进给纠偏传感器54、单元进给纠偏驱动辊55、单元切割器56，单元进给纠偏驱动辊55带动单元料带51进料，通过单元进给纠偏传感器54检测位置偏差并反馈给单元进给纠偏驱动辊55，单元进给纠偏驱动辊55将调整单元料带51的进料位置。

当单元料带51运动到单元夹辊611位置时，此时的两个单元夹辊611分别由两台夹辊电机612驱动且旋转方向相反，单元料带51被单元夹辊611夹持并移动一段距离后，单元切割器56开始切断两层隔膜，此时单元夹辊611夹持的是单个四层单元1。

单元夹辊611夹持单个四层单元1继续运动，此时气缸615带动夹持架613向靠近单元堆叠箱62的位置靠近，初始堆叠时，右侧单元压辊614的底部与堆叠板624的上表面紧密接触，随夹持架613的移动，左侧单元压辊614将单个四层单元1紧压在堆叠板624的上表面，完成一个四层单元1的放置。

然后气缸615再带动夹持架613快速向远离单元堆叠箱62的位置移动，此过程中四层单元1始终被单元压辊614紧压在堆叠板624上，当单元夹辊614运动到单元切割器56下方时，此时单元料带51再次被单元夹辊611夹持，单元夹辊611夹持单元料带51使其移动一段距离后，单元切割器56开始切断两层隔膜，此时单元夹辊611夹持的是单个四层单元1。

单元夹辊611夹持单个四层单元1继续运动，此时气缸615带动夹持架613向靠近单元堆叠箱62的位置靠近，左侧单元压辊614将四层单元1紧压在上述已堆叠四层单元1的上表面，此时完成两个四层单元1的堆叠。

依次循环进行，直至将四层单元1堆叠至指定层数，堆叠板624随四层单元1堆叠层数的增加而逐渐下移。由于电池电芯是由若干四层单元1和一个三层单元2组成，此三层单元2是隔膜11—负极片12—隔膜11结构，该三层单元2仍然通过上述极片切叠机构3制作，只需正极卷33停止供料即可得到。

完成电池电芯的制作后，单元夹辊611回归到单元切割器56的下方，此时气缸615不再动作，利用人工或者机械手通过卸料槽6241、单元压辊614之间的间隙将堆叠好的电芯取出进行包胶作业，至此单个电芯完成制作。

取出电芯的同时，单元夹辊611依然继续旋转，单元料带51再次被单元夹辊611夹持，单元夹辊611夹持单元料带51使其移动一段距离后，单元切割器56开始切断两层隔膜，此时单元夹辊611夹持的是单个四层单元1。此时的四层单元1进入单元传送机构63，传送轮631带动传送带632运动，两侧传送带632夹持四层单元1运动到下方的单元夹持机构61，并在相应的单元堆叠箱62完成电池电芯的制作。

为保证叠片电池的连续制作，本实用新型至少需要两套单元夹持机构61、两套单元堆叠箱62，可根据需要增设多个堆叠工位，重复上述过程，实现多个堆叠工位的循环利用。

综上所述，本实用新型可实现锂离子叠片电池连续、快速制作，能够有效保证四层单元叠片、四层单元预热、四层单元热压、四层单元堆叠的质量，四层单元堆叠速度快、对位精度好，可大大提高锂离子叠片电池的制造效率并具有良好的操作性、安全性。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。