一种大容量聚合物锂电池的冲坑磨具的制作方法

本实用新型涉及锂电池冲坑磨具技术领域，尤其涉及一种大容量聚合物锂电池的冲坑磨具。

背景技术：

随着新能源产业的进一步发展，尤其是储能行业及电动汽车行业的迅猛发展，对大容量锂离子电池提出了更高的要求，如要求重量更轻、比能量更高、安全性更好、使用寿命更长、大倍率放电性能更好、散热性能更好以及组装方便等特性，特别是对大容量锂离子电池的能量密度和安全性能提出了更高的要求。现有大容量锂离子电池采用聚合物铝塑膜外壳的电池存在着以下问题：(1)铝塑膜冲坑深度不足，一般在6mm以下，导致电池无法做大；(2)由于铝塑膜成型机尺寸和气缸所限制，对于尺寸较大的铝塑膜外壳只能冲单坑(宽度≥200mm，长度≥300mm)，导致大容量电池无法按照双坑冲坑模式制作电池(如图1)，只能采用两个单坑铝塑膜外壳加四面封边模式制作大容量电池(如图2和3)。以上问题，导致冲坑深度限制电池无法做大，即使采用两个单坑铝塑膜外壳加四面封边模式，也是效率低下，尾部无法折边，浪费电芯尺寸空间。

例如中国专利CN202225265U公布了一种锂电池铝塑膜冲坑模具包括有上模和下模，在上模上设置有冲头，在与冲头相互对应位置的下模上设置有冲坑，所述下模的冲坑为单模冲坑，冲坑的下方还设有气室冲坑；所述上模与冲坑对应的上模为方形冲压头。所述的冲坑的尺寸深度为5-10mm，宽度65mm，长度130mm。该发明中冲坑的深度为固定，只适用于单一的锂电池外壳要求。又例如中国专利CN204289626U公布了一种提高聚合物锂电池单位面积容量的模具，包括：铝塑膜成型结构和包铝塑膜结构，所述铝塑膜成型结构包括铝塑膜冲压成型机、上模和下模，所述上模为单坑凹模，下模为单坑凸模，所述上模和下模的边角呈圆弧状。单所述上模和下模均安装在铝塑膜冲压成型机上，所述成型机上还设置有下模气缸，所述下模气缸带动所述下模进入所述上模内，冲出相应规格铝塑膜。该发明中冲坑后的锂电池外壳在后续的工序中易产生变形，且该冲坑的深度固定，不能满足不同的铝电池外壳。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的尺寸无法做大，双坑四面封边模式效率低下，尺寸空间利用率低的问题，本实用新型提供了一种大容量聚合物锂电子电池。

本实用新型提供了一种大容量聚合物锂电池的冲坑模具，所述冲坑模具分为上模和下模，上模和下模的处于相互对应位置，其特征在于：所述上模包括凸模、上模座和液压缸a；所述液压缸a包括缸体和活塞杆，活塞杆设于缸体内部；所述液压缸a安装于上模底面的中间位置；所述凸模设于液压缸a的正下方；所述上模座的底面开有方槽，该方槽的上方中间位置开有圆柱孔；所述液压缸a设于上模座的方槽内。

进一步的，所述液压缸a的活塞杆安装于方槽的圆柱孔内，且活塞杆与凹槽中的圆柱孔处于同一中心轴线。

进一步的，所述圆柱孔的深度大于活塞杆的最大行程。

进一步的，所述方槽的尺寸与液压缸a的缸体尺寸相同，且液压缸a的行程长度小于方槽的高度。这样的设计目的是使液压缸a在方槽3内移动时，缸体4不会脱离方槽3，保证液压缸a的稳定性。

进一步的，所述凸模的形状为方形体，凸模的外表面设有加热层；所述凸模存在两个过渡圆角分别为过渡圆角a和过渡圆角b；过渡圆角a为上模侧面之间形成的过渡圆角，过渡圆角b为上模正面与侧面之间形成的过渡圆角。减少冲压过程中对铝塑膜的拉伸，降低铝塑膜在冲压中的破损。

进一步的，所述过渡圆角a的半径Ra为5～10mm，过渡圆角b的半径Rb为3～8mm。

进一步的，所述下模包括下模座、液压缸b和冷却装置；所述下模座上表面为工作平面，下模上表面的正中间设有冲坑，该冲坑的形状为方形体，冲坑的外形尺寸与凸模相同，上模的凸模与下模的冲坑相互配对；所述冲坑分为侧面和底部，底部与侧面分离成两部分；所述冲坑底部的正下方位置设有方形框；所述冷却装置安装于冲坑的正下方位置，且处于方形框内。

进一步的，所述方形框侧壁开有进气通道，该进气通道连通方形框和下模座外侧。

进一步的，所述冷却装置包括支撑平台、活塞柱、液压缸c、进气管和气源；所述支撑平台设于液压缸c的上方；所述活塞柱设于支撑平台上方；进气管安装于进气通道内，该进气管连接方形框和气源；所述气源设于下模座外侧任意位置。由于冷却装置的存在，可以使得冲坑后铝塑膜可快速定型，避免在后续的工序中产生变形。

进一步的所述活塞柱的形状为凸形，分为小圆柱和大圆柱；所述活塞柱顶部的小圆柱尺寸与冲坑通孔的小圆柱孔尺寸一致，活塞柱的大圆柱的直径与冲坑通孔的大圆柱孔直径相同，大圆柱的高度大于冲坑通孔的大圆柱孔高度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型中的模具设计可以根据不同规格的锂电池外壳要求进行改变冲坑深度。

(2)本实用新型中凸模的过度圆角的设计减少了冲压过程中对铝塑膜的拉伸，降低铝塑膜在冲压中的破损。

(3)本实用新型中由于冷却装置的存在，可以使得冲坑后铝塑膜可快速定型，避免在后续的工序中产生变形。

附图说明

图1是现有双坑铝塑膜外壳示意图；

图2是现有单坑加四面封边模式铝塑膜外壳示意图；

图3是现有单坑加四面封边模式制作的聚合物锂离子电池示意图；

图4是本实用新型下模单坑示意图；

图5是叠片后焊接好极耳的电芯示意图；

图6是三面封边后的电芯示意图；

图7是电芯制作完成后的成品电芯图；

图8是冲坑模具整体示意图；

图9是冲坑模具下模示意图。

结合附图在其上标记：

1-上模座，2-活塞杆，3-方槽，4-缸体，5-凸模，6-下模座，7-液压缸b，8-冲坑，9-活塞柱，10-支撑平台，11-液压缸c，12-气源，13-进气管。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型披露了一种大容量聚合物锂电池的冲坑模具，所述锂电池的外壳采用铝塑复合膜。冲坑工序中需要采用冲坑模具，在本实施例中对铝塑膜成形机中的冲坑模具进行了改进。所述外壳采用铝塑复合膜。所述冲坑模具分为上模和下模，所述上模和下模的处于相对位置；如图8所示，所述上模包括凸模5、上模座1和液压缸a；所述液压缸a包括缸体4和活塞杆2，活塞杆2设于缸体4内部；所述液压缸a安装于上模底面的中间位置；所述凸模5设于液压缸a的正下方；所述上模座1的底面开有方槽3，该方槽3的上方中间位置开有圆柱孔；所述液压缸a设于上模座1的方槽3中；所述液压缸a的活塞杆2安装于方槽3的圆柱孔内，且活塞杆2与凹槽中的圆柱孔处于同一中心轴线；所述圆柱孔的深度大于活塞杆2的最大行程，保证活塞杆2在移动过程中始终处于圆柱孔内。所述方槽3的尺寸与液压缸a的缸体4尺寸相同，且液压缸a的行程长度小于方槽3的高度；这样的设计目的是使液压缸a在方槽3内移动时，缸体4不会脱离方槽3，保证液压缸a的稳定性；所述凸模5设于液压缸a的下方，所述凸模5的形状为方形体，凸模5的外表面设有加热层；所述凸模5存在两个过渡圆角：过渡圆角a和过渡圆角b；过渡圆角a为上模侧面之间形成的过渡圆角，过渡圆角b为上模正面与侧面之间形成的过渡圆角；所述过渡圆角a的半径Ra为5～10mm，过渡圆角b的半径Rb为3～8mm。这样的设计目的是减少冲压过程中对铝塑膜的拉伸，降低铝塑膜在冲压中的破损。在本实施例中，优选的过渡圆角a和过渡圆角b的半径大小：Ra为5mm和Rb为5mm。

在上模的相互对应位置下方设置下模，如图9所示，所述下模包括下模座6、液压缸b7和冷却装置；所述下模座6上表面为工作平面，下模上表面的正中间设有冲坑8，该冲坑8的形状为方形体，冲坑8的外形尺寸与凸模5相同，上模的凸模5与下模的冲坑8相互配对；所述冲坑8分为侧面和底部，底部与侧面分离成两部分；所述冲坑8底部的正下方位置设有方形框；所述液压缸b7设于方形框的下方，通过液压缸b7的移动，可以使得冲坑8的底部做升降运动改变冲坑8的深度，满足不同规格的锂电池的生产条件；所述冲坑8表面设有加热层，加热层的存在保证了铝塑膜冲坑8时，可以快速成型；由于通过加热将铝塑膜快速成型，但当冲坑8结束后，若没有得到冷却，会容易产生变形，因此在下模具上设置冷却装置。所述冷却装置安装于冲坑8的正下方位置，且处于方形框内。所述方形框侧壁开有进气通道，该进气通道连通方形框和下模座6外侧。所述冲坑8的底面开有通孔，该通孔的形状为凸形，分为小圆柱孔和大圆柱孔，通孔的小圆柱孔开设在冲坑8底部，大圆柱孔连通小圆柱段和加热层底部。该通孔按阵列方式排布在冲坑8底部；所述冷却装置包括支撑平台10、活塞柱9、液压缸c11、进气管13和气源12；所述支撑平台10设于液压缸c11的上方；所述活塞柱9设于支撑平台10上方；进气管13安装于进气通道内，该进气管13连接方形框和气源12；所述气源12设于下模座6外侧任意位置；所述支撑平台10形状为矩形；活塞柱9的形状为凸形，分为小圆柱和大圆柱；所述活塞柱9顶部的小圆柱尺寸与冲坑8通孔的小圆柱孔尺寸一致，活塞柱9的大圆柱的直径与冲坑8通孔的大圆柱孔直径相同，大圆柱的高度大于冲坑8通孔的大圆柱孔高度。所述活塞柱9的底部固定于支撑平台10上平面，通过螺栓固定。

通过对冲坑8模具的改进可以最大限度的提高铝塑膜外壳的冲坑8深度，最大深度在10～15mm，而目前国内同样厚度铝塑膜厚度为152μm，最大冲深在5～8mm。铝塑膜冲坑8深度的提高有助于制作厚度更大的电池，从而得以制作出大容量聚合物锂离子电池。由于冲坑8方式采用双坑模式时锂电池的尺寸将无法做大，且双坑四面封边模式效率低下，尺寸空间利用率低，因此本实施例中所述冲坑8方式采用单坑模式。当使用这种方式进行冲坑8时，如图4所述，所述铝塑膜的截面“A-A”左侧部分设于冲坑8模具下方；冲坑8时左侧部分的最大面积可接近于整个冲坑8模具面积，也就是说铝塑膜外壳的单坑面积最大可以做到模具大小，铝塑膜外壳的右侧部分可以处于模具外面；这样的设计可以保证冲压出的单坑形式的铝塑膜外壳，其外形尺寸为长度L为100～500mm，宽度W为100～500mm；本实施例中由于对上模的三处过渡圆角进行优选，因此在冲坑8后铝塑膜外壳的尺寸为长度L为500mm，宽度W为500mm，得到最大铝塑膜外壳。该锂电池改进了现有大容量金属外壳锂离子电池重量大、安全性差、能量密度低的弊端，同时也克服了采用两个单坑铝塑膜外壳四面封边模式的聚合物锂离子电池的弊端，大大提高了锂离子电池的安全性能、生产效率、能量密度等性能，本实施中以磷酸铁锂体系为例，其锂电池的能量密度可以从110-120wh/kg提升到140-150wh/kg，同时对于后期电池组装、测试也可以更加便捷、高效。

通过本实施里中的冲压方式后得到的锂离子电池外壳为方形腹腔，该方形腹腔的尺寸为可达到长度100～500mm，宽度100～500mm，深度10～15mm；本实施例中完成锂电池的整个生产工艺分为：叠片、冲坑、顶封、注液、预化、化成和分容；所述叠片是将正极膜、负极膜切成小片与隔离膜叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联起来组成一个大电芯。冲坑是将铝塑复合膜采用冲坑机进行冲坑，形成外壳，将电芯放入外壳中进行顶封；顶封是将裸电芯包上包装铝箔，对顶部和侧边进行热封装；注液是将电解液加入到电芯中，并将电芯完全封住；预化是通过充放电方式将其内部正负极物质激活，同时在负极表面形成良好的SEI膜；化成是进一步形成稳定的SEI膜，并检测电芯容量；分容是安装设计目标或是客户要求对电池进行容量筛选。本实施例作进一步优选的，采用正极膜、负极膜和隔膜一起使用“Z”字型自动叠片机叠片成方形电芯，再将叠片好的方形电芯点焊上正、负极耳(如图5)，同时将铝塑复合膜冲压成型为单个方形膜腔(如图4)，然后将方形电芯放入冲好的铝塑复合膜膜腔内，经过烘烤注液后，对铝塑复合膜进行三边热封(如图6)，然后在经过化成、分容、整形和折边，即可组装成为单坑模式的大容量聚合物锂离子电池(如图7)。

冲压磨具的工作原理：

将铝塑膜放置在下模具上，铝塑膜的左侧部分安放在冲坑8位置，通过控制装置通过控制液压缸b7的升降，控制冲坑8底部与下模座6上平面之间的距离，根据所需要的冲坑8深度进行调节；当确定需要制造大容量锂电池时，控制装置控制液压缸b7下降运动，带动冲坑8底部向下运动，此时冲坑8的深度达到最大后。当确定冲坑8位置后，控制装置控制液压缸a中活塞杆2在缸体4中的伸出长度，使得凸模5底面和上模座1的底面之间的高度与冲坑8的深度相同，此时将上模垂直下压，凸模5将铝塑膜压入深坑中。在冲压过程中，凸模5和冲坑8表面的加热层进行通电，使得凸模5和冲坑8均带有热度，铝塑膜快速成型为方形腹腔。虽然通过加热使得铝塑膜快速成型，但这种方式也容易使得成型后的铝塑膜发生变形，可通过冷却的方式将冲压后的铝塑膜进行快速定型，避免了变形的发生。在冲压后，控制装置控制冷却装置启动，控制液压缸c11作下降运动，带动支撑装置向下运动，此时支撑装置上方的活塞柱9与冲坑8的凸形通孔之间产生间隙。控制装置启动气源12，气源12将冷却气体通过进气管13进入方形框中，方形框中的冷却气体通过支撑装置上方的活塞柱9与冲坑8的凸形通孔之间产生间隙进入冲坑8与凸模5之间，此时将冲坑8、凸模5和铝塑膜三者进行快速的降温，使铝塑膜快速定型，此时铝塑膜的冲坑8深度为最大。当不需要生产大容量锂电池时，控制装置通过调节液压缸b7作上升动作，使得冲坑8底部向上运动，减小冲坑8底部和下模座6上平面之间的距离，减小了冲坑8的深度。确定冲坑8深度后，通过控制装置减小液压缸a的活塞杆2在缸体4外的长度，使得凸模5底面和上模座1底面之间的距离减小，直至该距离与冲坑8深度相同，停止液压缸a的运动。将上模与下模进行冲压运动，完成所需的锂电池外壳。通过这种方式的运动可以调节不同的冲坑深度，满足不同规格锂电池外壳的冲坑要求，其最大铝塑膜外壳的冲坑深度达到10～15mm；又由于冷却装置的存在，可以使得冲坑后铝塑膜可快速定型，避免在后续的工序中产生变形。

上述说明示出并描述了本实用新型的优选实施例，如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。