模切叠片系统及方法与流程

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种模切叠片系统及方法。

背景技术：

在使用传统能源作为动力供给的汽车工业环境下，环境污染问题引起了人们对环境保护和资源利用的重视。积极发展新能源汽车，实现汽车工业的电气化，是实现我国对国外汽车工业“弯道超车”这一目标的战略性措施。锂离子设备技术是电动汽车发展的关键技术。方形叠片技术是目前最先进的锂离子电池制造技术之一，其中，叠片速度快慢直接决定整线产能与电芯制造成本。

目前大都采用z型叠片工艺，但已经量产的全球最快的叠片速度为0.6s/片，该叠片方法速度较慢，造成设备台数需求量大，占地面积大，购置成本高，后期维护成本、能源消耗大。而叠片速度慢的原因主要有两点：一是叠片采用弹夹式上料，上料过程中会有吸双张现象出现，故传统叠片机会有吹风、毛刷、抖片、双张检测等装置来防止吸双张，目前来看，无论采用何种方式都无法百分之百杜绝双张问题产生，并且这些装置极大地降低了机械手上料的速度；二是传统的叠片方式是先叠负极，再在负极片包覆隔膜，然后再叠正极，接着在正极包裹隔膜，该叠片方式的叠片单元为单个极片或单张隔膜，由于机械结构限制，导致叠片速度无法实现实质性的提升。因此，叠片工艺还有待进一步改进。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种模切叠片系统，以提高叠片效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：提出一种模切叠片系统，包括：

放卷机构，所述放卷机构包括负极放卷机构、第一隔膜放卷机构、正极放卷机构和第二隔膜放卷机构，所述负极放卷机构或所述正极放卷机构之间设置有第一隔膜放卷机构或第二隔膜放卷机构，所述正极放卷机构相对于所述第一隔膜放卷机构、所述负极放卷机构和所述第二隔膜放卷机构中的至少一个间隔运行；

正极裁切机构，所述正极裁切机构设在所述放卷机构下游，并且所述正极裁切机构与所述正极放卷机构配合且裁切正极片，得到正极片相对于第一隔膜、第二隔膜和负极片中至少一个间隔分布的叠层；

预热辊压设备，所述预热辊压设备包括依次相连的预热装置和辊压装置，所述预热装置设在所述放卷机构和所述辊压装置之间，所述辊压装置设在所述正极裁切机构的下游，所述辊压装置使第一隔膜、第二隔膜、负极片和正极片中的至少两个相互粘连；

裁断机构，所述裁断机构设在所述预热辊压设备的下游，所述裁断机构裁断所述叠片，得到具有正极极片以及两层隔膜的核心叠片单元和具有一层负极片及两层隔膜的负极叠片单元；或者得到具有正负极片以及两层隔膜的核心叠片单元、具有一层负极片及一层隔膜的负极叠片单元和仅具有一层隔膜的隔膜叠片单元；

检测装置，所述检测装置设在所述裁断机构的下游，且检测所述叠片单元是否存在缺陷；

叠片装置，所述叠片装置设在所述检测装置下游，且对所述叠片单元进行叠放得到极组。

进一步地，所述放卷机构中，所述正极放卷机构、所述第一隔膜放卷机构、所述负极放卷机构和所述第二隔膜放卷机构自上而下分布或自下而上分布；或者，所述负极放卷机构、所述第一隔膜放卷机构、所述正极放卷机构和所述第二隔膜放卷机构自上而下分布或自下而上分布。

进一步地，所述叠片装置包括夹爪，所述夹爪夹取所述叠片单元并对所述叠片单元进行转运和叠放。

进一步地，所述模切叠片系统进一步包括多个张力辊，所述多个张力辊设在所述放卷机构和所述正极裁切机构之间，且在所述负极片、所述隔膜以及所述正极片的上侧和/或下侧间隔分布。

进一步地，所述核心叠片单元中，负极片每边超出正极片长度为0.5～1.5mm。

进一步地，所述模切叠片系统进一步包括排出机，所述排出机设在所述检测装置下游，且基于所述检测装置的显示排出有缺陷的叠片单元。

相对于现有技术，本发明所述的模切叠片系统具有以下优势：

(1)本发明所述的模切叠片系统将模切装置和叠片装置集成，一方面取消了上料弹夹，突破弹夹上料限制，另一方面通过预热辊压使得极片与隔膜粘连，叠片上料为卷料而非单片上料，可以连续上料，能够突破机械结构限制，提高叠片速度，降低系统故障率；(2)不仅可以大幅减少叠片机的数量，降低设备购置成本并减少设备能耗，还可以使理论叠片速度达到0.25～0.6s/片；(3)该系统的叠片方式可以为水平叠片，由此可以更有利于叠片对齐，并且系统在垂直方向上的空间占用率更小；(4)可以精确控制相邻两个正极片之间的水平间距和叠片裁切位置，使得裁切后得到的核心叠片单元中负极片超出正极片的长度更为均匀、稳定，达到方便叠片裁断且裁断精准度高和叠片单元合格率高的目的；(5)现有叠片工艺中，隔膜边长比负极片大1～3mm，超出负极片部分的隔膜会增加电池的质量和体积，并导致电池内阻增大、比容量降低等问题，采用该系统对叠片进行裁切时获得的叠片单元中，可以使隔膜长度和负极片的长度比为1:1，从而避免多余的隔膜对电池的不利影响。

本发明的另一目的在于提出一种利用上述模切叠片系统进行模切叠片的方法，以提高叠片效率。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：提出一种模切叠片的方法，包括：

(1)利用所述放卷机构提供极片和薄膜，并使所述正极裁切机构与所述正极放卷机构配合且裁切正极片，得到正极片相对于第一隔膜、第二隔膜和负极片中至少一个间隔分布的叠层；

(2)利用所述预热装置对隔膜、负极片和裁切前后的正极片进行预热，并利用所述辊压装置对所述叠片进行辊压，以便使第一隔膜、第二隔膜、负极片和正极片中的至少两个相互粘连；

(3)利用所述裁断机构裁断所述叠片，得到具有正负极片以及两层隔膜的核心叠片单元和具有一层负极片及两层隔膜的负极叠片单元；或者得到具有正负极片以及两层隔膜的核心叠片单元、具有一层负极片及一层隔膜的负极叠片单元和仅具有一层隔膜的隔膜叠片单元；

(4)利用所述检测装置检测所述叠片单元是否存在缺陷，并基于所述检测装置的检测结果排出有缺陷的叠片单元；

(5)利用所述叠片装置对所述叠片单元进行叠放，以便得到极组。

进一步地，所述叠片单元中，正极片的长度小于负极片的长度，隔膜的长度等于负极片的长度。

进一步地，所述叠片中正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜自上而下分布，预先将多个所述核心叠片单元进行叠放，再叠放一个负极叠片单元；或者，所述叠片中正极片、第一隔膜、负极片和第二隔膜自下而上分布，预先叠放一个负极叠片单元，再将多个所述核心叠片单元进行叠放。其中，所述负极叠片单元包括一层负极片和两层隔膜。

进一步地，所述叠片中负极片、第一隔膜、正极片和第二隔膜自上而下分布，预先叠放一个负极叠片单元，再将多个所述核心叠片单元进行叠放，最后叠放一层隔膜叠片单元；或者，所述叠片中负极片、第一隔膜、正极片和第二隔膜自下而上分布，预先叠放一层隔膜，再将多个所述核心叠片单元进行叠放，最后叠放一个负极叠片单元。其中，所述负极叠片单元包括一层隔膜和一层负极片。

相对于现有技术，本发明所述的进行模切叠片的方法具有以下优势：

(1)该方法中将极片裁切和叠片耦合，一方面取消了上料弹夹，突破弹夹上料限制，另一方面通过预热辊压使得极片与隔膜粘连，形成叠片单元，叠片上料为卷料而非单片上料，可连续上料，能够突破机械结构限制，提高叠片速度，降低系统故障率；(2)同时对极片和隔膜进行叠片，叠片速度快，理论叠片速度可达到0.25～0.6s/片；(3)叠片方式可以为水平叠片，与垂直叠片方式相比，更有利于叠片对齐；(4)可以精确控制相邻两个正极片之间的水平间距和叠片裁切位置，使得裁切后得到的核心叠片单元中负极片超出正极片的长度更为均匀、稳定，达到方便叠片裁断且裁断精准度高和叠片单元合格率高的目的；(5)可以使隔膜长度和负极片的长度比为1:1，从而避免多余的隔膜对电池的不利影响。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例所述的模切叠片系统的结构示意图；

图2为采用本发明一个实施例的模切叠片系统进行叠片的示意图；

图3为采用本发明再一个实施例的模切叠片系统进行叠片的示意图；

图4为采用本发明又一个实施例的模切叠片系统进行叠片的示意图；

图5为本发明一个实施例的模切叠片系统采用夹爪夹取叠片单元的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明的第一个方面，本发明提出一种模切叠片系统。根据本发明的实施例，如图1所示，该系统包括：放卷机构100、正极裁切机构200、预热辊压设备300、裁断机构400、检测装置500和叠片装置600。

下面将参考附图1-5并结合实施例对上述模切叠片系统进行详细描述。

放卷机构100和正极裁切机构200

根据本发明的实施例，放卷机构包括负极放卷机构110、第一隔膜放卷机构120、正极放卷机构130和第二隔膜放卷机构140，负极放卷机构110和正极放卷机构140之间设置有第一隔膜放卷机构120或第二隔膜放卷机构140，正极放卷机构130相对于第一隔膜放卷机构120、负极放卷机构110和第二隔膜放卷机构140中的至少一个间隔运行；正极裁切机构200设在放卷机构100下游，并且正极裁切机构200与正极放卷机构140配合且裁切正极片，得到正极片相对于第一隔膜、第二隔膜和负极片中至少一个间隔分布的叠层。

需要说明的是，本发明中所述第一隔膜放卷机构和第二隔膜放卷机构以及第一隔膜和第二隔膜仅是为了方便描述隔膜放卷机构的个数和层数，而不能理解为指示或暗示相对重要性，实际上第一隔膜和第二隔膜可以相同。

根据本发明的一个具体实施例，模切叠片系统可以进一步包括多个张力辊700，多个张力辊700设在放卷机构100和正极裁切机构200之间，且在负极片、隔膜以及正极片的上侧和/或下侧间隔分布，由此可以更有利于实现极片和隔膜的放卷与启停。

根据本发明的再一个具体实施例，放卷机构中正极放卷机构130、第一隔膜放卷机构120、负极放卷机构110和第二隔膜放卷机构140可以自上而下分布(如图1所示)或自下而上(如图2所示)分布；或者，负极放卷机构110、第一隔膜放卷机构120、正极放卷机构130第二隔膜放卷机构140可以自上而下分布(如图3所示)或自下而上分布(如图4所示)。为方便叠片，根据负极放卷机构110、第一隔膜放卷机构120、正极放卷机构130和第二隔膜放卷机构140的实际分布情况，通过综合控制各个放卷机构的启停，正极片相对于第一隔膜、第二隔膜和负极片中至少一个间隔分布的叠层可以包括两种状态：

参考图1和图2，第一种状态是叠片包括两种结构：一是由一层正极片、一层负极片和两层隔膜形成的四层结构，经后续辊压和裁断后可形成核心叠片单元a，另一个是由一层负极片和两层隔膜形成三层结构，经后续辊压和裁断后可形成负极叠片单元b1，在单个极组的叠片周期内包括多个核心叠片单元a和一个负极叠片单元b1；

参考图3和图4，第二种状态是叠片包括三种结构：一是由一层正极片、一层负极片和两层隔膜形成的四层结构，经后续辊压和裁断后可形成核心叠片单元a，二是由一层负极片和一层隔膜形成两层结构，经后续辊压和裁断后可形成负极叠片单元b2，三是仅具有一层隔膜的结构，经后续辊压和裁断后可形成隔膜叠片单元c，在单个极组的叠片周期内包括多个核心叠片单元a、一个负极叠片单元b2和一个隔膜叠片单元c。

根据本发明的又一个具体实施例，由一层正极片、一层负极片和两层隔膜形成的四层结构中，相邻两个间隔分布的正极片之间的水平间距可以为1～3mm，由此经后续辊压和叠片裁断后，可以使获得的核心叠片单元a中负极片每边超出正极片长度为0.5～1.5mm，从而确保极组具有较高的安全性和稳定性。需要说明的是，本发明中所述的长度是以极片的运动方向而言的，也可以理解为每个边的长度。

预热辊压设备300

根据本发明的实施例，预热辊压设备300包括依次相连的预热装置(未单独示出)和辊压装置(未单独示出)，预热装置设在放卷机构100和辊压装置之间，辊压装置设在正极裁切机构200的下游，辊压装置使第一隔膜、第二隔膜、负极片和正极片中的至少两个相互粘连。

根据本发明的一个具体实施例，预热装置可以在正极片裁切之前就开始对隔膜和正负极片进行预热，由此可以使预热时间更长，从而进一步提高辊压后极片和隔膜的粘连效果。

裁断机构400

根据本发明的实施例，裁断机构400设在预热辊压设备300的下游，裁断机构400裁断叠片，得到具有正极极片以及两层隔膜的核心叠片单元a和具有一层负极片及两层隔膜的负极叠片单元b1；或者得到具有正负极片以及两层隔膜的核心叠片单元a、具有一层负极片及一层隔膜的负极叠片单元b2和仅具有一层隔膜的隔膜叠片单元c。其中，裁断机构400可以根据相邻两个正极片之间的水平间距选择最合适的叠片裁切位置，使得裁切后得到的核心叠片单元中负极片超出正极片的长度更为均匀、稳定，达到裁断精准度高、提高叠片单元合格率高的目的。

检测装置500

根据本发明的实施例，检测装置500设在裁断机构400的下游，且检测叠片单元是否存在缺陷；其中，采用检测装置500可以检测极片/隔膜的位置、尺寸、褶皱、极耳褶皱、折边、缺角等，以便及时舍弃有缺陷的叠片单元；其中，检测装置500可以为ccd检测机构。

根据本发明的一个具体实施例，模切叠片系统可以进一步包括排出机800，排出机800可以设在检测装置500的下游，并基于检测装置500的显示排出有缺陷的叠片单元。其中排出机800可以为ng排出机。

叠片装置600

根据本发明的实施例，叠片装置600设在检测装置500下游，且对叠片单元进行叠放得到极组。

根据本发明的一个具体实施例，如图5所示，叠片装置600可以包括夹爪610，夹爪610夹取叠片单元并对叠片单元进行转运和叠放。其中，夹爪610从叠片单元的上下两侧夹取叠片(如图5所示，其中，夹爪可以从垂直于极片运动方向的两侧上下夹取叠片)。

根据本发明的再一个具体实施例，如图1所示，放卷机构中100中正极放卷机构130、第一隔膜放卷机构120、负极放卷机构110和第二隔膜放卷机构140可以自上而下分布，此时在单个极组的叠片周期内，可以预先形成多个核心叠片单元a进行叠放，最后再叠放一个负极叠片单元b1。

根据本发明的又一个具体实施例，如图2所示，放卷机构中100中正极放卷机构130、第一隔膜放卷机构120、负极放卷机构110和第二隔膜放卷机构140可以自下而上分布，此时在单个极组的叠片周期内，可以预先叠放一个负极叠片单元b1，再形成多个核心叠片单元a进行叠放。

根据本发明的又一个具体实施例，如图3所示，负极放卷机构110、第一隔膜放卷机构120、正极放卷机构130和第二隔膜放卷机构140可以自上而下分布，此时在单个极组的叠片周期内，可以预先叠放一个负极叠片单元b2，再形成多个核心叠片单元a进行叠放，最后叠放一层隔膜叠片单元c。

根据本发明的又一个具体实施例，如图4所示，负极放卷机构110、第一隔膜放卷机构120、正极放卷机构130和第二隔膜放卷机构140可以自下而上分布，此时在单个极组的叠片周期内，可以预先叠放一层隔膜叠片单元c叠放一个负极叠片单元b2，再形成多个核心叠片单元a进行叠放，最后叠放一个负极叠片单元b2。

综上所述，本发明的模切叠片系统具有以下优势：(1)本发明的模切叠片系统将模切装置和叠片装置集成，一方面取消了上料弹夹，突破弹夹上料限制，另一方面通过预热辊压使得极片与隔膜粘连，叠片上料为卷料而非单片上料，可以连续上料，能够突破机械结构限制，提高叠片速度，降低系统故障率；(2)不仅可以大幅减少叠片机的数量，降低设备购置成本并减少设备能耗，还可以使理论叠片速度达到0.25～0.6s/片；(3)该系统的叠片方式可以为水平叠片，由此可以更有利于叠片对齐，并且系统在垂直方向上的空间占用率更小；(4)可以精确控制相邻两个正极片之间的水平间距和叠片裁切位置，使得裁切后得到的核心叠片单元中负极片超出正极片的长度更为均匀、稳定，达到方便叠片裁断且裁断精准度高和叠片单元合格率高的目的；(5)现有叠片工艺中，隔膜边长比负极片大1～3mm，超出负极片部分的隔膜会增加电池的质量和体积，并导致电池内阻增大、比容量降低等问题，采用该系统对叠片进行裁切时获得的叠片单元中，可以使隔膜长度和负极片的长度比为1:1，从而避免多余的隔膜对电池的不利影响。

根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种利用上述模切叠片系统进行模切叠片的方法。根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：(1)利用放卷机构提供极片和薄膜，并使正极裁切机构与正极放卷机构配合且裁切正极片，得到正极片相对于第一隔膜、第二隔膜和负极片中至少一个间隔分布的叠层；(2)利用预热装置对隔膜、负极片和裁切前后的正极片进行预热，并利用辊压装置对叠片进行辊压，以便使第一隔膜、第二隔膜、负极片和正极片中的至少两个相互粘连；(3)利用裁断机构裁断叠片，得到具有正负极片以及两层隔膜的核心叠片单元和具有一层负极片及两层隔膜的负极叠片单元；或者得到具有正负极片以及两层隔膜的核心叠片单元、具有一层负极片及一层隔膜的负极叠片单元和仅具有一层隔膜的隔膜叠片单元；(4)利用检测装置检测叠片单元是否存在缺陷，并基于检测装置的检测结果排出有缺陷的叠片单元；(5)利用叠片装置对叠片单元进行叠放，以便得到极组。

根据本发明的一个具体实施例，可以利用夹爪从叠片单元的上下两侧夹取叠片单元进行转运和叠放。其中，该叠片方式为水平叠片，与垂直叠片方式相比，不仅更有利于叠片对齐，而且系统在垂直方向上的占用空间更小；进一步地，本发明中采用夹爪代替负压机械手实现叠片单元的转运，还可以有效避免吸住叠片单元上侧对叠片单元进行转运时下层极片和/隔膜掉落的风险。

根据本发明的再一个具体实施例，叠片单元中，正极片的长度小于负极片的长度，隔膜的长度等于负极片的长度，由此可以避免多余的隔膜对电池内阻、比容量等造成的不利影响。

综上所述，本发明的进行模切叠片的方法具有以下优势：(1)该方法中将极片裁切和叠片耦合，一方面取消了上料弹夹，突破弹夹上料限制，另一方面通过预热辊压使得极片与隔膜粘连，形成叠片单元，叠片上料为卷料而非单片上料，可连续上料，能够突破机械结构限制，提高叠片速度，降低系统故障率；(2)同时对极片和隔膜进行叠片，叠片速度快，理论叠片速度可达到0.25～0.6s/片；(3)叠片方式可以为水平叠片，与垂直叠片方式相比，更有利于叠片对齐；(4)可以精确控制相邻两个正极片之间的水平间距和叠片裁切位置，使得裁切后得到的核心叠片单元中负极片超出正极片的长度更为均匀、稳定，达到方便叠片裁断且裁断精准度高和叠片单元合格率高的目的；(5)可以使隔膜长度和负极片的长度比为1:1，从而避免多余的隔膜对电池的不利影响。需要说明的是，上述针对模切叠片系统所描述的特征和效果同样适用于该模切叠片的方法，此处不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。