锂离子电池极片超声波轧膜的制造方法
【专利摘要】一种锂离子电池极片超声波轧膜机，由放卷电机(F)、超声波轧压组件、机架(J)、收卷电机(S)组成。气缸(Q)、超声波换能器(C)、变幅器(C2)、轧膜压头(C3)依次顺序连接组成超声波轧压组件。砧座(C4)布置于轧膜压头(C3)下方。轧膜压头(C3)与砧座(C4)之间是轧膜工位。本发明利用纵波的波能振幅传递到锂离子电池涂层极片，在气缸压强作用下，使锂离子电池涂层极片的颗粒断面厚度方向受到纵波脉冲与气缸压强的合力压缩，利用横波脉冲与气缸压强的合力作用下，锂离子电池涂层极片的颗粒相互挤压，颗粒重新排列挤压颗粒间隙，涂层极片在轧压过程不会发生平行滑移，不会造成涂层与集流体粘合结构受到破坏。
【专利说明】锂离子电池极片超声波轧膜机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锂离子电池制造装备，特别涉及一种用于锂离子电池极片轧膜机。
【背景技术】
[0002]锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液组成化学体系，正极、负极极片的活性物质以颗粒材料制备浆料涂布在集流体铜箔或铝箔的两个表面。需要通过一道轧膜工艺，轧压(或称之轧膜)涂布在集流体铜箔或铝箔的表面涂层，消除活性物质颗粒间的间隙，以提高涂层密实度。轧膜的质量与锂离子电池的性能有着十分密切的关系，涂层密度小和间隙过大都会导致电池内阻增大，涂层密实度增加还有利提高电池的体积比容量。现有轧膜机沿用了传统轧钢机原理，存在轧压过程造成涂层与集流体的粘附结构剥离的问题。如图1所示，现有的锂离子电池极片轧膜机的轧膜过程是:上轧辊Dl与下轧辊D2之间的间隙是电池极片轧膜工位，锂离子电池涂层极片随着上轧辊Dl顺时针旋转和下轧辊D2同步逆时针旋转拽拖水平移动，处于上轧辊Dl与下轧辊D2之间的锂离子电池涂层极片，在上轧辊Dl与下轧辊D2相切位置，经上轧辊Dl与下轧辊D2咬入拽拖，进入上轧辊Dl与下轧辊D2的轧膜工位，锂离子电池涂层极片的两面涂层受轧辊面摩擦力作用被拽拉，在被拽拉过程，也是轧压的过程，锂离子电池涂层极片两面涂层中的颗粒一部分沿断面厚度方向垂直流动，起到增加密实度的效果；还有一部分涂层中的颗粒并非断面厚度方向垂直流动，这些非断面厚度方向垂直流动的颗粒并没有增加密实度。轧膜动力学研究表明，锂离子电池涂层极片轧压过程需要经过咬入一拽拖一轧压三个阶段。锂离子电池涂层极片分布在表面层、中心层、集流体与涂层两相界面层的厚度断面方向变形各有不同，沿极片厚度断面方向的应力分布存在不均匀；拉应力和压应力在入辊处、集流体与涂层两相临界面、出辊处都存在差异。依据材料塑性加工过程中塑性流动的最小阻力定律，锂离子电池涂层极片两面涂层颗粒的塑性变形和塑性流动服从最小阻力定律，涂层颗粒各质点将向着阻力最小的方向移动。依据上述理论分析和现有轧辊轧膜原理，轧膜变形不是单一的增加密实度的沿轧件断面厚度方向压下量，最小阻力定律决定了轧膜变形还存在涂层物质平行滑移量。如图1所示，除断面厚度方向上变形分布外，图1中箭号所示，表面层还存在平行滑移量。平行滑移量的大小，取决咬入角α，轧辊直径越大，咬入角α越大，平行滑移量就越小。咬入角度α是轧件被咬入轧辊时，以上轧辊Dl与下轧辊D2的中心线为垂线，轧件和轧辊最先接触点和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的角度。平行滑移量首先发生在表面层，平行滑移量直接影响断面厚度方向上变形分布的压下量，平行滑移量越大，断面厚度方向变形分布的压下量越小，压密实效果越差。由于锂离子电池涂层极片两面涂层颗粒与集流体是胶体粘合结构，涂层颗粒与集流体粘合优劣，会影响锂离子电池的电子导电内阻特性。随着平行滑移表面层深度增加，必将造成锂离子电池极片两面涂层颗粒与集流体的胶体粘合结构发生机械性剥离，最终导致涂层与集流体的导电失效，造成锂离子电池局部发热引发安全问题。[0003]现有锂离子电池极片轧膜机为了更大的咬入角α以减少平行滑移量，轧辊直径的选择越来越大，大多数锂离子电池极片轧膜机产品采用直径800毫米直径轧辊，驱动电机达到了 45KW，造成能耗成本高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有锂离子电池极片轧膜机的轧膜过程需要经过咬入一拽拖一轧压轧钢原理的三个阶段的缺点，提出一种改进轧膜机理的锂离子电池极片超声轧膜机。
[0005]现有技术的三阶段轧膜方式，轧压过程中表面层、中心层、集流体与涂层两相界面层不均匀变形，引起平行滑移，造成锂离子电池极片两面涂层颗粒与集流体之间的相对位移。这种位移效应导致胶体粘合与集流体结构发生机械性移位剥离，本发明锂离子电池极片超声波轧膜机可以克服现有轧钢原理轧膜机需要经过咬入一拽拖一轧压三个阶段的轧压方式，改善了现有轧钢原理轧膜机轧模造成表面层、中心层、集流体与涂层两相界面层都存在不均匀变形的问题，尤其是克服了“咬入”阶段引起的平行滑移。
[0006]本发明锂离子电池极片超声波轧膜机的工作原理和工作过程是，气缸的压力通过轧膜压头轧压锂离子电池涂层极片。轧压的同时，由于超声波的纵波压缩和横波的导流相互作用，使涂层极片中的颗粒仅限以断面厚度方向的下压量压缩，使极片涂层达到均匀的压密实度。气缸的推力使超声波换能器、变幅器、轧膜压头下行，当锂离子电池极片处于轧膜压头与砧座之间的轧压工位时，气缸推力使轧膜压头压紧锂离子电池极片，压力作用于涂层极片集流体的上下两面的锂离子电池活性物质涂层，使得涂层受到压力与超声波的合力轧压增加密实度。
[0007]本发明锂离子电池极片超声波轧膜机的技术方案如下。
[0008]本发明锂离子电池极片超声波轧膜机由放卷电机、安装于机架上的超声波轧压组件和收卷电机组成。放卷电机和收卷电机分别布置于超声波组件左右两侧。超声波轧压组件由气缸、超声波换能器、变幅器和轧膜压头组成，气缸、超声波换能器、变幅器、轧膜压头依次顺序上下连接:气缸固定在机架的顶梁上，气缸的下端连接超声波换能器，超声波换能器下端连接变幅器，变幅器下端连接轧膜压头，轧膜压头下方布置有砧座。变幅器与轧膜压头连接处的机架横梁上安装有弹性限位套。
[0009]所述的超声波换能器可选用工作频率为20ΚΗζ或40ΚΗζ，优选40ΚΗζ。所述的变幅器选用金属钛或铝合金制造，优选金属钛。所述的弹性限位套选用弹簧钢材或铝材质制造，优选铝材质。
[0010]锂离子电池涂层极片进入轧膜压头与砧座之间的轧压工位时，在气缸的压力作用下，并在超声波的纵波压缩和横波的导流相互作用下，涂层极片涂层中的颗粒仅以断面厚度方向的下压量压缩，使极片涂层达到均匀的压密实度。放卷电机将锂离子电池涂层极片送放入进轧压工位放卷，收卷电机牵引经轧压的锂离子电池极片离开轧压工位收卷，收卷电机的收卷与放卷电机的放卷同步。
[0011 ] 所述的气缸推动超声波轧压组件下行，给锂离子电池极片施加压力。
[0012]所述的超声波轧压组件通过超声波换能器将电能转换成机械振动能。超声波换能器的振动波有纵波和横波，当振动方向与传播方向垂直时，称为横波；当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。超声波换能器工作频率有15ΚΗΖ、18ΚΗΖ、20ΚΗΖ，40ΚΗΖ等，不同频率具有不同振幅值，频率高振动幅值小，频率低振动幅值大。本发明锂离子电池极片超声波轧膜机针对于锂离子电池涂层中的胶体与正负极材料中颗粒物质混合物，选取频率高，振幅值小的超声波换能器，有利于涂层的颗粒在微小尺寸范围内流动，因此可选用工作频率为20ΚΗζ或40ΚΗζ的超声波换能器，优选工作频率为40ΚΗζ。
[0013]超声波轧膜使锂离子电池极片涂层增加密实度的原理是:
[0014]1、利用纵波的波能振幅传递到锂离子电池活性物质涂层的颗粒，在气缸压力作用的同时，使锂离子电池活性物质涂层断面厚度方向受到纵波与气缸压力的合力作用而压缩。
[0015]2、利用横波与气缸压力的合力作用，锂离子电池活性物质涂层的颗粒相互挤压，颗粒相互挤压使颗粒重新排列，颗粒重新排列挤压了颗粒间的间隙，在涂层的颗粒重新排列的同时，气缸施加断面厚度方向的压力，活性物质涂层断面厚度方向受到压缩而增加密实度，活性物质涂层在厚度方向增加密实度过程中不会发生平行滑移，不会造成活性物质涂层与集流体粘合结构受到破坏。
[0016]与现有基于轧钢原理轧膜机相比，本发明的轧膜过程无需经过咬入一拽拖一轧压三阶段，因此，克服了轧压过程表面层、中心层、集流体与涂层两相界面层不均匀变形，引起平行滑移的缺点。
[0017]锂离子电池极片有两种形式，一种为间隙涂布极片，另一种为连续涂布极片。以下针对两种不同涂布极片，分别说明间隙涂布极片超声波轧膜机的结构和连续涂布极片超声波连续轧膜结构。
[0018]1、间隙涂布锂离子电池极片超声波轧膜机的结构
[0019]间隙涂布锂离子电池极片超声波轧膜机的超声波间隙轧压组件的各个部件位置关系为:所述的气缸固定在间隙涂布锂离子电池极片超声波轧膜机机架的顶梁上，气缸的下端连接超声波换能器，超声波换能器的下端连接变幅器，变幅器的下端连接轧膜压头。变幅器与轧膜压头连接处机架的横梁上安装有弹性限位套。轧膜压头下方同轴布置有砧座，轧膜压头与砧座之间是锂离子电池极片轧膜工位。气缸下端还布置有矩形限高垫。
[0020]锂离子电池极片的轧膜输送极片与极片收卷由收卷电机牵引和放卷电机送料同步完成。
[0021]轧膜时，气缸的推力使超声波间隙轧压组件下行。当锂离子电池极片通过轧膜压头与砧座之间轧膜工位时，气缸推力使轧膜压头压住锂离子电池涂层极片，锂离子电池涂层极片与砧座压紧，砧座布置于轧膜压头下方，安装在机架的工字梁上，在工字梁的刚性和强度支撑下，使得气缸压力作用于锂离子电池涂层极片，锂离子电池涂层极片的锂离子电池活性物质受到压缩。为了避免过度压缩，在气缸下端布置有矩形限高垫，约束气缸下行行程，矩形限高垫的高度依据极片上下两面的锂离子电池活性物质涂层的厚度确定。
[0022]所述的变幅器的作用是将换能器输出的机械振动振幅放大，使能量集中在较小的辐射面上。变幅器又称为超声聚能器，是一圆柱状金属器件，变幅器使用金属钛或铝合金制造，优选金属钛。
[0023]所述的轧膜压头的作用是:对极片涂层中的颗粒通过超声波的纵波压缩和横波的导流做功，使得极片涂层中的颗粒仅以断面厚度方向的压下量压缩，使极片涂层达到均匀的压密实度。轧膜压头可选用金属钛、铝合金、HAP-72钢、APS-60钢制造，优选金属钛。
[0024]所述的砧座是轧膜工位平面的基准面，是限制气缸行程受力支点。极片处于轧膜压头与砧座之间工作区域时，气缸和轧膜压头传递的压力和超声波波能量使锂离子电池极片涂层受到轧压。
[0025]气缸、超声波换能器、变幅器和轧膜压头依次顺序连接组成超声波间隙轧压组件，超声波轧压组件安装在机架顶梁上，砧座布置于轧膜压头下方，安装在机架的工字梁上。
[0026]所述的弹性限位套安装在变幅器连接轧膜压头的接口位置的机架横梁上，对超声波轧压组件径向限位。弹性限位套的弹性功能隔离了变幅器的振动波向机架传导，弹性限位套选用弹黃钢材质或招材质制造，优选招材质制造。
[0027]所述的矩形限高垫布置在气缸下端的机架的挡梁上，挡梁平行位于机架的横梁与机架的顶梁之间，起到限制气缸下行行程的作用，从而实现锂离子电池涂层极片轧膜厚度的限定。
[0028]所述的放卷电机是将待轧膜的锂离子电池涂层极片卷形材料，依照轧膜速度，依次向轧膜工位送入锂离子电池涂层极片，一边送入一边放卷。
[0029]所述的收卷电机将锂离子电池涂层极片的出料一端端头固定并牵引，收卷电机将经过轧膜的锂离子电池涂层极片收集并成卷。收卷电机的收卷与放卷电机的放卷同步进行。
[0030]间隙涂布方式锂离子电池涂层极片，在其集流体铜箔或铝箔上下两面的锂离子电池活性物质涂层存在间隙涂布分隔区。轧膜压头的轧膜需对准涂层的边界，轧膜压头的轧膜工步与锂离子电池涂层极片送料的放卷电机的放卷送料同步，依照间隙涂布方式锂离子电池涂层极片的两个分隔区之间是需要轧膜的涂层，即，当两个分隔区之间的涂层对准轧膜压头，启动气缸下行，完成一次轧膜。
[0031]放卷电机将锂离子电池涂层极片往轧压工位送料放卷，收卷电机的收卷与放卷电机的放卷同步。送料放卷的涂层极片长度与收卷并成卷涂层极片长度相等。
[0032]2、连续涂布锂离子电池极片超声波轧膜机的结构:
[0033]连续涂布锂离子电池极片超声波轧膜机由放卷电机、超声波连续轧压组件和收卷电机组成。放卷电机和收卷电机分别布置于超声波连续轧压组件的左右两侧。
[0034]超声波连续轧压组件由超声波压力振动器和导振机构组成。
[0035]超声波压力振动器由辊式轧膜压头、抱环、轴瓦、弹性挡环、接电滑环座、联轴器、辊式轧膜压头驱动电机、电机座、超声波换能器、变幅器、气缸组成。主动胶辊、主动胶辊驱动电机、传振椭圆钢带环、从动胶辊、椭圆钢带环导辊组成导振机构，还包括矩形砧座。
[0036]超声波连续轧压组件的各个部件位置关系为:辊式轧膜压头轴向的一端连接变幅器，变幅器穿过弹性挡环的内圆孔连接超声波换能器，超声波换能器穿过接电滑环座的内圆孔与联轴器连接。联轴器连接辊式轧膜压头驱动电机。所述的变幅器安装于抱环内圆孔的轴瓦内圆孔中，所述抱环的底部固定在气缸顶端。辊式轧膜压头布置于传振椭圆钢带环内，辊式轧膜压头的外径与传振椭圆钢带环的内圆相切，传振椭圆钢带环的环外下方布置有矩形砧座，传振椭圆钢带环与矩形砧座之间是轧膜工位。
[0037]传振椭圆钢带环的椭圆长径轴向一侧布置有主动胶辊和从动胶辊。主动胶辊在传振椭圆钢带环外，主动胶辊的外圆与传振椭圆钢带环的外圆相切；从动胶辊布置在传振椭圆钢带环内，从动胶辊外圆与传振椭圆钢带环的内圆相切。主动胶辊与从动胶辊夹紧传振椭圆钢带环。传振椭圆钢带环内与从动胶棍相向的另一侧是椭圆钢带环导棍，椭圆钢带环导辊的外圆与传振椭圆钢带环的内圆相切，从动胶辊与椭圆钢带环导辊之间的长度约束传振椭圆钢带环的椭圆度。传振椭圆钢带环的环外下方布置有矩形砧座，传振椭圆钢带环与矩形砧座之间的间隙是涂层极片轧膜的工位。
[0038]连续轧膜时，涂层极片连续通过传振椭圆钢带环与矩形砧座工位位置时，超声波换能器输出的超声波通过辊式轧膜压头传递至传振椭圆钢带环，由传振椭圆钢带环传递至涂层极片。与超声波换能器同步，启动气缸下拉，固定在气缸顶端的抱环即被拉下行，抱环下行即布置在抱环内圆孔中的变幅器随之下行，与变幅器连接的辊式轧膜压头亦随之下行，使得辊式轧膜压头压紧传振椭圆钢带环的壁面。气缸的压力通过传振椭圆钢带环给涂层极片施加压力，使涂层极片得到压缩。
[0039]超声波换能器的纵波的作用机理是:在纵波与气缸的下拉压力合力作用下，涂层极片涂层中的颗粒相互挤压而重新排列；
[0040]超声波换能器的横波的作用机理是:在横波与气缸的下拉压力形成合力，压缩涂层极片中的颗粒。轧膜过程极片涂层仅在断面厚度方向受到压缩。涂层极片与传振椭圆钢带环椭圆长轴方向的接触面为平面接触，因而克服了传统轧钢原理的轧膜机轧膜咬入角α导致的涂层极片的颗粒平行滑移的缺陷。
[0041]由于轧膜处于连续状态，涂层极片放卷速度和辊式轧膜压头的旋转必须与传振椭圆钢带环旋转的线速度同步。辊式轧膜压头驱动电机通过联轴器连接变幅器，变幅器连接超声波轧辊，辊式轧膜压头驱动电机旋转时，驱动辊式轧膜压头旋转。传振椭圆钢带环内圆与辊式轧膜压头外圆相切，传振椭圆钢带环外圆与主动胶辊外圆相切，辊式轧膜压头驱动电机与主动胶辊驱动电机工作同步。
[0042]主动胶辊的一端连接主动胶辊驱动电机，主动胶辊驱动电机旋转，驱动主动胶辊旋转，主动胶辊与传振椭圆钢带环的环外壁面相切，形成摩擦传动结构，主动胶辊旋转即驱动传振椭圆钢带环旋转，传振椭圆钢带环的旋转线速度与涂层极片的同步，通过控制主动胶辊驱动电机、放卷电机、收卷电机和辊式轧膜压头驱动电机来实现。
[0043]所述的辊式轧膜压头向的一端连接变幅器，变幅器穿过弹性挡环连接超声波换能器，超声波换能器穿过接电滑环座与联轴器连接、联轴器连接辊式轧膜压头驱动电机，辊式轧膜压头驱动电机固定在电机座上。
[0044]所述的弹性挡环套装在轴瓦的内圆环内，轴瓦外圆固定在抱环的内圆孔中，抱环底部固定在气缸顶端。
[0045]所述的接电滑环座底座固定在电机座上，接电滑环座与超声波换能器接通电路。使超声波换能器旋转状态得于通电工作。
[0046]所述的轴瓦的内圆安装有弹性挡环，弹性挡环旋转时轴瓦起到滑动的作用。
[0047]连续轧膜是由所述的主动胶辊驱动传振椭圆钢带环旋转，旋转的传振椭圆钢带环压在极片涂层表面，气缸的压力使辊式轧膜压头压在旋转的传振椭圆钢带环给极片涂层施加压力。
[0048]传振椭圆钢带环的环内椭圆长径的两端，分别布置有从动胶辊和椭圆钢带环导辊，从动胶辊与椭圆钢带环导辊之间的长度约束传振椭圆钢带环的椭圆度。布置从动胶辊的一端的传振椭圆钢带环的环外布置有主动胶辊，主动胶辊的外圆与传振椭圆钢带环相切，形成夹紧摩擦传动结构。
[0049]所述的主动胶辊的轴向连接主动胶辊驱动电机。主动胶辊驱动电机旋转时，通过摩擦传动传振椭圆钢带环旋转。
[0050]所述的矩形砧座布置在传振椭圆钢带环径向外侧的下方。传振椭圆钢带环径向下方与矩形砧座上平面之间的位置是连续轧膜的工位。
[0051]连续涂布锂离子电池涂层极片超声波轧膜机连续轧膜工作方式是，涂层极片连续通过传振椭圆钢带环与矩形砧座工位位置时，辊式轧膜压头输出的横波传递至传振椭圆钢带环，压在传振椭圆钢带环的振动极片涂层，与此同步，由于气缸下拉，固定在气缸顶端抱环即被拉下行，抱环下行，布置在抱环内圆孔中的变幅器即随之下行，变幅器下行，与其连接的辊式轧膜压头随之下行，辊式轧膜压头下行，使得辊式轧膜压头压紧传振椭圆钢带环，气缸的压力通过传振椭圆钢带环给涂层极片施加压力，受气缸的压力和超声波形成的合力作用使极片涂层得到压缩。
[0052]超声波横波的作用机理是，气缸垂直向下运动，固定在气缸顶端的抱环被向下拉，安装在抱环内的变幅器被向下拉，变幅器被向下拉，辊式轧膜压头同时被拉向下，辊式轧膜压头向下的作用力的形成的压力作用于传振椭圆钢带环，传振椭圆钢带环给涂层极片施加压力，在横波与气缸压力合力作用下，锂离子电池涂层极片中的颗粒相互挤压，重新排列。涂层颗粒重新排列的作用，涂层极片增加了密实度。
[0053]气缸垂直向下压力与辊式轧膜压头的纵波形成的压力双重作用，锂离子电池涂层极片受到压缩增加了密实度。
[0054]锂离子电池涂层极片与传振椭圆钢带环椭圆长轴方向的接触面为平面接触，因而解决了传统轧钢原理的轧膜机轧膜咬入角α导致的涂层极片的颗粒平行滑移所引起的涂层与集流体剥离的问题。
[0055]由于轧膜处于连续状态，涂层极片放卷速度和辊式轧膜压头的旋转必须与传振椭圆钢带环旋转的线速度同步。
[0056]辊式轧膜压头驱动电机通过联轴器连接变幅器，变幅器连接超声波轧辊，辊式轧膜压头驱动电机旋转时，驱动辊式轧膜压头旋转。
[0057]主动胶辊一端连接主动胶辊驱动电机，主动胶辊驱动电机驱动主动胶辊旋转，主动胶棍与传振椭圆钢带环的摩擦传动作用，驱动传振椭圆钢带环旋转，传振椭圆钢带环的旋转线速度与极片输送速度的同步，通过控制主动胶辊驱动电机、放卷电机、收卷电机和辊式轧膜压头驱动电机来实现。收卷电机固定锂离子电池涂层极片一端端头，牵引涂层极片向轧膜工位供料，放卷电机将涂层极片往轧压工位送料放卷，轧膜输送极片与极片收卷，由收卷电机牵引和放卷电机送料同步完成。
[0058]与现有基于轧钢原理的轧膜机相比，本发明不同于其轧辊与轧辊外圆相切的轧压方案，本发明超声波连续轧膜结构是通过辊式轧膜压头给传振椭圆钢带环施加纵波和横波振动，同时由气缸施加压力。纵波和横波的振动以及气缸压力是通过传振椭圆钢带环施加至涂层极片。改善了现有基于轧钢原理轧辊轧膜机咬入角α导致的涂层极片在轧膜过程弓I起平行滑移，克服这种平行滑移有利改善锂离子电池极片涂层的品质。【专利附图】
【附图说明】
[0059]图1是现有的轧辊轧膜机工作原理图，图中，Dl上轧辊、D2下轧辊之间是锂离子电池极片AO的剖视面，A是锂离子电池极片AO的集流体铜箔或铝箔，Al是集流体铜箔或铝箔上下两面的锂离子电池活性物质涂层；
[0060]图2是本发明超声波轧膜机超声波轧压组件结构示意图，图中，Q气缸、Cl超声波换能器、C2变幅器、C3轧膜压头；
[0061]图3是本发明锂离子电池极片间隙涂布超声波轧膜机原理结构图，图中，Q气缸、Cl超声波换能器、C2变幅器、C3轧膜压头、A是锂离子电池极片AO的集流体铜箔或铝箔，Al是集流体铜箔或铝箔上下两面的锂离子电池活性物质涂层；
[0062]图4是本发明超声轧膜机具体实施方法结构示意图，图中，Q气缸、Cl超声波换能器、C2变幅器、D弹性限位套、C3轧膜压头、AO锂离子电池极片、C4砧座、J机架、Jl顶梁、J2横梁、J3工字梁、J4挡梁、F放卷电机、S收卷电机、B矩形限高垫；
[0063]图5是锂离子电池极片间隙涂布平面视图，图中，Al是集流体铜箔或铝箔上下两面的锂离子电池活性物质涂层，A2是Al是集流体铜箔或铝箔上下两面的锂离子电池活性物质涂层间隙涂布分隔区；
[0064]图6是图5的G— G剖视图，图中，A是锂离子电池极片AO的集流体铜箔或铝箔，Al是集流体铜箔或铝箔上下两面的锂离子电池活性物质涂层；
[0065]图7是本发明连续涂布锂离子电池极片轧膜机原理结构示意图，图中，I传振椭圆钢带环、8主动胶辊、9从动胶辊、10椭圆钢带环导辊、C3-1辊式轧膜压头、C4-1矩形砧座、AO-1涂层极片、Q-1气缸、F-1放卷电机、S-1收卷电机；
[0066]图8是图7的俯视图，图中，Cl-1超声波换能器、C2-1变幅器、4接电滑环座、5联轴器、6辊式轧膜压头驱动电机、I传振椭圆钢带环、8主动胶辊、8-1主动胶辊驱动电机、9从动胶棍、10椭圆钢带环导棍、AO-1涂层极片、F-1放卷电机、S-1收卷电机；
[0067]图9是图7M-M剖视图，图中，I传振椭圆钢带环、C3_l辊式轧膜压头、2抱环、3轴瓦、3-1弹性挡环、4接电滑环座、5联轴器、6辊式轧膜压头驱动电机、7电机座、8-1主动胶辊驱动电机、Cl-1超声波换能器、C2-1变幅器、C4-1矩形砧座、AO-1涂层极片、F-1放卷电机、Q-1气缸；
[0068]图10是图7的左视图，图中，I传振椭圆钢带环、2抱环、4接电滑环座、5联轴器、6辊式轧膜压头驱动电机、7电机座、8主动胶辊、8-1主动胶辊驱动电机、Cl-1超声波换能器、C2-1变幅器、AO-1涂层极片、F-1放卷电机、Q-1气缸；
[0069]图11是图7的N— N剖视图，图中，I传振椭圆钢带环、8主动胶辊、8_1主动胶辊驱动电机、9从动胶辊、C3-1辊式轧膜压头、10椭圆钢带环导辊。
【具体实施方式】
[0070]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0071]本发明锂离子电池极片超声波轧膜机由放卷电机、超声波轧压组件和收卷电机，砧座等组成，放卷电机和收卷电机分别位于超声波轧压组件的左右两侧，砧座布置于超声波轧压组件的轧膜压头下方。
[0072]所述的超声波轧压组件通过超声波换能器将电能转换成机械振能。超声波换能器的做功振动波有纵波和横波，当振动方向与传播方向垂直时，称为横波；当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。超声波换能器工作频率有15ΚΗΖ、18ΚΗΖ、20ΚΗΖ，40ΚΗΖ等。本发明锂离子电池极片超声波轧膜机应用于胶体与颗粒的混合物，选取频率高振幅值小超声波换能器，有利于涂层的颗粒在微小尺寸范围内流动，因此可选用工作频率为20ΚΗζ或40ΚΗζ的超声波换能器，优选工作频率为40ΚΗζ超声波换能器。所述的超声波轧压组件由气缸推动下行，给锂离子电池极片涂层施加压力。
[0073]超声波轧膜使涂层增加密实度的原理是:
[0074]1、利用纵波的波能振幅传递到锂离子电池活性物质涂层的颗粒，在气缸压力作用的同时，使锂离子电池活性物质涂层断面厚度方向受到纵波与气缸压力的合力作用而压缩。
[0075]2、利用横波与气缸压力的合力作用，锂离子电池活性物质涂层的颗粒相互挤压，颗粒相互挤压使颗粒重新排列，颗粒重新排列挤压了颗粒间的间隙，在涂层的颗粒重新排列的同时，气缸施加断面厚度方向的压力，活性物质涂层断面厚度方向受到压缩而增加密实度，活性物质涂层在厚度方向增加密实度过程中不会发生平行滑移，不会造成活性物质涂层与集流体粘合结构受到破坏。
[0076]锂离子电池极片有两种形式，一种为间隙涂布极片，另一种为连续涂布极片，针对两种不同涂布的极片，本发明设计了间隙涂布极片超声波轧膜机和连续涂布极片超声波连续轧膜机。
[0077]1、间隙涂布极片锂离子电池极片超声波轧膜机结构如下:
[0078]间隙涂布极片锂离子电池极片超声波轧膜机由放卷电机F、安装于机架J上的超声波间隙轧压组件和收卷电机S组成，放卷电机F和收卷电机S分别位于超声波间隙轧压组件的左右两侧。超声波间隙轧压组件由气缸Q、超声波换能器Cl、变幅器C2、轧膜压头C3组成，气缸Q、超声波换能器Cl、变幅器C2、轧膜压头C3依次顺序上下布置；气缸的下端连接超声波换能器Cl，超声波换能器Cl的下端连接变幅器，变幅器C2的下端连接轧膜压头，轧膜压头C3的下方布置有砧座。变幅器C2与轧膜压头C3连接处的机架J的横梁J2上安装有弹性限位套。
[0079]涂层极片AO进入轧膜压头C3与砧座C4之间轧压工位时，在气缸Q的压力作用下，并在超声波的纵波压缩和横波的导流相互作用下，涂层极片AO中的颗粒仅以断面厚度方向的下压量压缩，使涂层极片AO达到均匀的压密实度。放卷电机F将涂层极片AO送进轧压工位送放卷，收卷电机S牵引经轧压的涂层极片AO离开轧压工位收卷，收卷电机S的收卷与放卷电机F的放卷同步。
[0080]图4所示为间隙涂布锂离子电池极片的超声波轧膜机的结构，如图4所示，间隙涂布锂离子电池极片的超声波轧膜机由超声波间隙轧压组件、收卷电机S和放卷电机F组成。
[0081]超声波间隙轧压组件安装在机架J上，收卷电机S，和放卷电机F安装在机架J两侦U。超声波间隙轧压组件由气缸Q、超声波换能器Cl、变幅器C2、轧膜压头C3组成，变幅器与轧膜压头连接处机架J的横梁J2安装有弹性限位套D，机架J的工字梁J3上安装有砧座C4，气缸Q下端有矩形限高垫B。
[0082]超声波间隙轧压组件的各个部件的位置关系为:所述的气缸Q固定在间隙涂布锂离子电池极片超声波轧膜机机架J的顶梁Jl上，气缸Q的下端连接超声波换能器Cl，超声波换能器Cl的下端连接变幅器C2，变幅器C2的下端连接轧膜压头C3，变幅器C2与轧膜压头C3连接处机架J的横梁J2上安装弹性限位套D，轧膜压头C3的下方同轴布置有砧座C4，轧膜压头C3与砧座C4之间是锂离子电池极片轧膜工位，砧座C4安装在机架J的工字梁J3上。气缸Q的下端还布置有矩形限高垫B，矩形限高垫B安装于机架J的挡梁J4上。
[0083]涂层极片的轧膜进料传输由收卷电机S牵引和放卷电机F送料同步进行。
[0084]间隙涂布锂离子电池涂层极片超声波轧膜机的工作过程如下:
[0085]气缸Q的推力使超声波换能器Cl、变幅器C2、轧膜压头C3下行，当涂层极片AO穿过轧膜压头C3与砧座C4之间的轧压工位时，气缸Q推力使轧膜压头C3压紧涂层极片AO上下两面的锂离子电池活性物质涂层Al，涂层极片AO被轧膜压头C3与砧座C4压紧，砧座C4在工字梁J3的刚性和强度支撑下，使得气缸Q的压力作用于涂层极片AO上下两面的锂离子电池活性物质涂层Al受到压缩。在气缸压力作用同时，锂离子电池活性物质涂层的颗粒断面厚度方向受到超声波换能器Cl的纵波脉冲与气缸压力的合力压缩。超声波换能器Cl的横波脉冲与气缸压力的合力作用下，锂离子电池活性物质涂层的颗粒相互挤压，颗粒重新排列挤压了颗粒间的间隙，轧膜过程活性物质涂层仅以断面厚度方向受到压缩，为了避免过度压缩，在气缸Q下端布置矩形限高垫B，矩形限高垫B的高度依据涂层极片AO上下两面的锂离子电池活性物质涂层Al的厚度确定。
[0086]如图4、图5所示，所述的涂层极片AO采用间隙涂布方式，Al是集流体铜箔或铝箔上下两面的锂离子电池活性物质涂层，A2是Al是上下两面涂层的间隙涂布分隔区，轧膜压头C3的轧膜工步与涂层Al的边界对准同步，涂层极片AO进入轧膜压头C3与砧座C4之间的轧膜工位的速度与轧膜压头C3轧膜动作同步。轧膜压头C3轧膜动作的同步，通过控制气缸Q实现。
[0087]2、连续涂布极片超声波轧膜机的结构如下:
[0088]连续涂布极片锂离子电池极片超声波轧膜机由放卷电机F-1、超声波连续轧压组件和收卷电机S-ι和砧座C4-1等组成。放卷电机F-1和收卷电机S-1分别位于超声波间隙轧压组件的左右两侧。
[0089]图7、图8、图9、图10所示为连续涂布锂离子电池极片的超声波轧膜机的结构。
[0090]如图7、图8、图9、图10所示，收卷电机S-1，和放卷电机F-1之间是超声波连续轧压组件。
[0091]超声波连续轧压组件由超声波压力振动器和导振机构组成。
[0092]超声波压力振动器包括辊式轧膜压头C3-1、抱环2、轴瓦3、弹性挡环3_1、接电滑环座4、联轴器5、辊式轧膜压头驱动电机6、电机座7、超声波换能器C1-1、变幅器C2-1、气缸 Q-1。
[0093]导振机构包括主动胶辊8、主动胶辊驱动电机8-1、传振椭圆钢带环1、从动胶辊9、椭圆钢带环导辊10，还包括矩形砧座C4-1。
[0094]超声波轧压组件的各个部件位置关系为:辊式轧膜压头C3-1轴向一端连接变幅器C2-1，变幅器C2-1穿过弹性挡环3-1的内圆孔连接超声波换能器Cl-1，超声波换能器Cl-1穿过接电滑环座4的内圆孔与联轴器5连接、联轴器5连接辊式轧膜压头驱动电机6，所述的变幅器C2-1安装于抱环2的内圆孔的轴瓦3内圆孔中，抱环2底部固定在气缸Q-1顶端。
[0095]超声波连续轧压组件的辊式轧膜压头C3-1布置于传振椭圆钢带环I环内下方，辊式轧膜压头C3-1的外径与传振椭圆钢带环I环内壁相切，传振椭圆钢带环I的环外下方布置有矩形砧座C4-1，传振椭圆钢带环I与矩形砧座C4-1之间是轧膜工位。
[0096]如图7所示，传振椭圆钢带环I的椭圆长径轴向左侧布置主动胶辊8和从动胶辊9，主动胶辊8在传振椭圆钢带环I外，主动胶辊8的外圆与传振椭圆钢带环I的外圆相切；从动胶辊9布置在传振椭圆钢带环I内，从动胶辊9外圆与传振椭圆钢带环I的内圆相切。主动胶辊8与从动胶辊9夹紧传振椭圆钢带环I。
[0097]传振椭圆钢带环I内与从动胶辊9相向的右侧是椭圆钢带环导辊10，椭圆钢带环导辊10的外圆与传振椭圆钢带环I的内圆相切，从动胶辊9与椭圆钢带环导辊10之间的长度约束传振椭圆钢带环I的椭圆度，传振椭圆钢带环I的椭圆长轴越长，轧膜时咬入角α所产生的影响就越小。
[0098]锂离子电池极片的轧膜进料传输由收卷电机S-1牵引和放卷电机F-1送料同步进行。
[0099]传振椭圆钢带环I的环外下方布置矩形砧座C4-1，传振椭圆钢带环I与矩形砧座C4-1之间是布置涂层极片AO-1的轧膜工位位置，涂层极片AO-1连续通过传振椭圆钢带环I与矩形砧座C4-1工位位置时，辊式轧膜压头C3-1输出的横波传递至传振椭圆钢带环1，通过传振椭圆钢带环I的壁面振动涂层极片Α0-1，与此同时气缸的压力同步通过传振椭圆钢带环I的壁面施加压力，使锂离子电池活性物质涂层得到压缩。超声波横波的作用机理是，在横波与气缸压力合力作用下，锂离子电池活性物质涂层中的颗粒相互挤压，起到重新排列的作用，如图7、图8，、图9和图10所示，气缸Q-1垂直向下运动，固定在气缸Q-1顶端的抱环2被向下拉，安装在抱环2内的变幅器C2-1被向下拉，变幅器C2-1被向下拉，辊式轧膜压头C3-1同时被拉向下，辊式轧膜压头C3-1向下的作用力的形成的压力作用于I传振椭圆钢带环1，在气缸Q-1垂直向下压力与辊式轧膜压头C3-1输出的纵波的作用下锂离子电池涂层极片受到压缩增加了密实度。由于传振椭圆钢带环I与涂层极片AO-1的咬入角α，近似平角，咬入角α导致的涂层极片AO-1平行滑移引起的涂层与集流体剥离问题被克服。
[0100]由于轧膜处于连续状态，涂层极片AO-1放卷速度和辊式轧膜压头C3-1的旋转必须与传振椭圆钢带环I旋转的线速度同步，辊式轧膜压头驱动电机6通过联轴器5连接变幅器C2-1，变幅器C2-1连接辊式轧膜压头C3-1，辊式轧膜压头驱动电机6旋转时，驱动辊式轧膜压头C3-1旋转。
[0101 ] 如图11所示，主动胶辊8 一端连接8-1主动胶辊驱动电机，8-1主动胶辊驱动电机驱动主动胶辊8旋转，主动胶辊8与I传振椭圆钢带环的环外壁面磨擦作用，驱动传振椭圆钢带环I旋转，传振椭圆钢带环I的旋转线速度与涂层极片AO-1的同步，通过控制8-1主动胶辊驱动电机、F-1放卷电机、S-1收卷电机和辊式轧膜压头驱动电机6来实现。S-1收卷电机固定锂离子电池涂层极片一端端头牵引、F-1放卷电机将锂离子电池涂层极片往轧压工位送料放卷，S-1收卷电机的收卷与F-1放卷电机的放卷同步完成。
[0102]如图7、图8、图9所示，辊式轧膜压头C3-1布置于传振椭圆钢带环I环内，辊式轧膜压头C3-1外径与传振椭圆钢带环I环内壁相切，辊式轧膜压头C3-1轴向一端连接变幅器C2-1，变幅器C2-1穿过弹性挡环3-1连接超声波换能器Cl-1，超声波换能器Cl-1穿过接电滑环座4与联轴器5连接，联轴器5连接辊式轧膜压头驱动电机6，辊式轧膜压头驱动电机6固定在电机座7上。
[0103]所述的弹性挡环3-1套装在轴瓦3的内圆。轴瓦3外圆固定在抱环2，抱环2底部固定在气缸Q-1顶端。所述的接电滑环座4的底座固定在电机座7上，接电滑环座4与超声波换能器Cl-1接通电路。所述的轴瓦3的内圆安装有弹性挡环3-1，弹性挡环3-1旋转时起到滑动的效果。
[0104]所述的传振椭圆钢带环I的椭圆长径两端环内，分别布置从动胶辊9外圆与传振椭圆钢带环I的内圆相切、椭圆钢带环导棍10外圆与传振椭圆钢带环I的内圆相切，传振椭圆钢带环I布置从动胶辊9的一端环外侧，布置主动胶辊8，主动胶辊8的外圆与传振椭圆钢带环I外圆相切，主动胶辊8轴向连接主动胶辊驱动电机8-1。
[0105]所述的传振椭圆钢带环I径向外布置有矩形砧座C4-1。传振椭圆钢带环I径与矩形砧座C4-1上平面之间的位置是涂层极片AO-1轧膜的工位。
[0106]与基于轧钢原理的轧膜机相比，本发明通过辊式轧膜压头C3-1给传振椭圆钢带环I施加纵波和横波振动，同时通过气缸Q-1施加压力，纵波和横波振动以及气缸Q-1压力是通过传振椭圆钢带环I压紧施加的。
【权利要求】
1.一种锂离子电池极片超声波轧膜机，其特征在于，所述的轧膜机包括放卷电机(F)、超声波轧压组件、机架(J)和收卷电机⑶；放卷电机(F)和收卷电机(S)分别布置于超声波轧压组件的左右两侧，超声波轧压组件安装于机架(J)上；所述的超声波轧压组件由气缸(Q)、超声波换能器(Cl)、变幅器(C2)、轧膜压头(C3)组成；气缸(Q)、超声波换能器(Cl)、变幅器(C2)、轧膜压头(C3)依次顺序上下连接:所述的气缸(Q)固定在机架(J)的顶梁(Jl)上，气缸(Q)的下端连接超声波换能器(Cl)，超声波换能器(Cl)的下端连接变幅器(C2)，变幅器(C2)的下端连接轧膜压头(C3)，轧膜压头(C3)下方同轴布置有砧座(C4)，变幅器(C2)与轧膜压头(C3)连接处的机架横梁上安装有弹性限位套。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池极片超声波轧膜机，其特征在于，所述的变幅器(C2)与轧膜压头(C3)连接处机架(J)的横梁(J2)上安装有弹性限位套(D);所述的轧膜压头(C3)与砧座(C4)之间是锂离子电池极片轧膜工位。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池极片超声波轧膜机，其特征在于，连续涂布锂离子电池极片时，所述的轧膜机的超声波轧压组件为超声波连续轧压组件； 所述的超声波连续轧压组件由超声波压力振动器和导振机构组成； 所述的超声波压力振动器由轧膜压头(C3-1)、抱环(2)、轴瓦(3)、弹性挡环(3-1)、接电滑环座(4)、联轴器(5)、辊式轧膜压头驱动电机(6)、电机座(7)、超声波换能器(C1-1)、变幅器(C2-1)、气缸(Q-1)组成；所述的导振机构包括主动胶辊(8)、主动胶辊驱动电机(8-1)、传振椭圆钢带环(I)、从动胶辊(9)、椭圆钢带环导辊(10)，以及矩形砧座(C4-1)； 超声波连续轧压组件的各个部件位置关系为:辊式轧膜压头(C3-1)轴向的一端连接变幅器(C2-1)，变幅器(C2-1)穿过弹性挡环(3-1)的内圆孔连接超声波换能器(C1-1)，超声波换能器(Cl-1)穿过接电滑环座(4)的内圆孔与联轴器(5)连接、联轴器(5)连接辊式轧膜压头驱动电机(6)，所述的变幅器(C2-1)安装于抱环(2)的内圆孔的轴瓦(3)内圆孔中，抱环(2)的底部固定在气缸(Q-1) 的顶端；辊式轧膜压头布置于传振椭圆钢带环(I)内，辊式轧膜压头(C3-1)的外径与传振椭圆钢带环(I)的环内壁相切，传振椭圆钢带环(I)的环外下方布置有矩形砧座(C4-1 )，传振椭圆钢带环(I)与矩形砧座(C4-1)之间是轧膜工位。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池极片超声波轧膜机，其特征在于，所述的传振椭圆钢带环(I)的椭圆长径轴向左侧布置有主动胶辊(8)和从动胶辊(9)，主动胶辊(8)位于传振椭圆钢带环(I)外，主动胶辊(8)的外圆与传振椭圆钢带环(I)的外圆相切；从动胶辊(9)布置在传振椭圆钢带环(I)内，从动胶辊(9)的外圆与传振椭圆钢带环(I)的内圆相切；主动胶辊(8 )与从动胶辊(9 )夹紧传振椭圆钢带环(I)。
5.根据权利要求3所述的锂离子电池极片超声波轧膜机，其特征在于，所述的传振椭圆钢带环(I)内与从动胶辊(9)相向的右侧是椭圆钢带环导辊(10)，椭圆钢带环导辊(10)的外圆与传振椭圆钢带环(I)的内圆相切，从动胶辊(9)与椭圆钢带环导辊(10)之间的长度约束传振椭圆钢带环(I)的椭圆度，传振椭圆钢带环(I)的椭圆长轴越长，轧膜时咬入角α所产生的影响越小。
6.根据权利要求3所述的锂离子电池极片超声波轧膜机，其特征在于，所述的主动胶辊(8 )的一端连接主动胶辊驱动电机(8-1)，主动胶辊驱动电机(8-1)驱动主动胶辊(8 )旋转。
7.根据权利要求3所述的锂离子电池极片超声波轧膜机，其特征在于，所述的轴瓦(3)的内圆套装有弹性挡环(3-1);所述的接电滑环座(4)的底座固定在电机座(7)上；所述的轴瓦(3)的内圆安装有弹性挡 环(3-1)。
【文档编号】H01M4/139GK103943823SQ201410117791
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】邓梁, 杨文晖, 王慧贤, 吕行, 魏树峰, 王铮 申请人:中国科学院电工研究所