锂离子电池极芯卷绕方法及锂离子电池制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池制备工艺领域，尤其指其中的极芯卷绕领域。

背景技术：

锂离子电池极芯卷绕是锂离子电池制作的关键环节之一；所述极芯包括正极片、隔膜和负极片，所述正极片、隔膜和负极片叠置后通过卷绕形成。

目前锂离子电池极芯卷绕方法主要包括如下步骤：采用长方形或菱形的卷针，将隔膜穿入卷针内，然后在恒张力、恒转速(均指卷针的角速度)的情况下将隔膜预卷；然后依次插入负极片、正极片后，在恒张力、恒转速的情况下卷绕，最后拔出卷针，即得到该极芯。

申请人一直致力于完善锂离子电池制造的工艺流程，提供产品品质，其中，在对产品和工艺优化过程中发现，电池起拱是一急需解决的问题。为此，申请人一直在进行统计分析电池生产过程中的起拱比例，以期望找出其导致起拱的原因，找到消除起拱的手段，以提高良率，降低生产成本。在2013至2014年间，早期其起拱比例高达2.4％，我们逐步完善工艺，其起拱比例有效降低，低至0.1％左右。再往下降就很难了，经试验验证，我们发现，现有传统的卷绕方法中，其卷针在恒张力、恒转速(恒角速度)转动时，其极片在行进方向上产生类似正弦曲线的速度分量，造成极片与隔膜卷绕过程中的张力松弛变化，导致极芯内部张力不均；特别是经过后工序(指真空烘烤工序)隔膜收缩、充放电过程中极片膨胀，由于极片层与层之间间隙小，使得极芯内极片膨胀时，电极层与层产生相互作用，由于卷绕时内部张力不均匀，应力集中产生弯矩，造成极片扭曲，导致部分成品电池起拱变形，从而产生了安全隐患。

技术实现要素：

为解决现有部分成品电池存在起拱变形的问题，本发明提供了一种锂离子电池极芯卷绕方法及锂离子电池制备方法。

本发明一方面提供了一种锂离子电池极芯卷绕方法，包括如下步骤：

S1、预卷步骤：将隔膜穿入主卷针，隔膜预卷；然后插入负极片，在恒定张力P1、恒定转速V1下预卷半圈；再插入正极片，在恒定张力P1、恒定转速V1下预卷半圈；

S2、变张力转速卷绕步骤：然后逐渐降低张力和转速，持续卷绕N圈后中断卷绕；其张力降至P2，转速降至V2；

S3、恒张力转速卷绕步骤：中断卷绕后插入副卷针，在恒定张力P2、恒定转速V2下卷绕；

S4、拔卷针步骤：切断隔膜，然后收尾卷绕，最后抽出所述主卷针和副卷针。

优选地，所述步骤S2中所述“然后逐渐低降低张力和转速”具体包括如下步骤：将张力和转速分成K档，逐渐降低所述张力和转速的档位，其中，K的取值范围为2-6。

优选地，所述张力P1的范围为4-8牛；所述张力P2的范围为1-4牛。

优选地，所述转速V1的范围为180-260转/分钟；所述转速V2＝V1*n，其中，所述n的范围为60％-80％。

优选地，所述转速V2的范围为100-200转/分钟。

优选地，所述步骤S2和步骤S3中的总卷绕圈数为M，所述步骤S2中N≤1/2M。

优选地，所述M的范围为6-14，所述N的范围为3-7。

优选地，所述副卷针的宽度为5-40mm，厚度为0.1-1.5mm。

优选地，所述副卷针为非金属材质薄片或表面镀铁氟龙金属薄片。

本发明第二方面提供了一种锂离子电池制备方法，包括如下步骤：采用上述锂离子电池极芯卷绕方法制作得到极芯；

然后封装，真空烘烤，注液，化成，封口。

本发明实施例提供的锂离子电池极芯卷绕方法和锂离子电池制备方法，将其极芯卷绕过程分成步骤S1、步骤S2、步骤S3和步骤S4，其步骤S1在较高张力和转速下预卷，步骤S2采取变张力和转速的方式卷绕，逐渐减低其张力和转速，并在步骤S3中插入副卷针后再采取恒张力和转速的方式进行卷绕，最后步骤S4完成收尾卷绕和拔出卷针；由于其采用变张力和转速的卷绕方式，并在插入副卷针后采用恒张力、恒转速进行卷绕，使主卷针的内径发生变化，极芯内部的极片之间间隙变大，为后工序极片膨胀预留空间，避免了应力集中现象，有效地降低电池起拱变形比例。同时，该种卷绕方式可提高卷绕速度，从而提升了锂离子电池的生产效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的锂离子电池极芯卷绕流程图；

图2是本发明具体实施方式中提供的锂离子电池极芯卷绕立体示意图；

图3是图2中A处放大示意图；

图4是本发明具体实施方式中提供的锂离子电池极芯卷绕工序图。

其中，1、主卷针；2、副卷针；3、极芯；a、间隙。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本例将对本发明公开的锂离子电池极芯卷绕方法进行具体解释说明，结合图1所示流程图、图2所示卷绕立体示意图以及图4所示的工序图，包括如下步骤：

其卷绕设备包括单卷针工位卷绕设备和多卷针工位卷绕设备(比如双卷针工位卷绕设备及三卷针工位卷绕设备)。其卷绕过程是相同的，仅仅在切断隔膜的时间有差异。

S1、预卷步骤：从0时刻起，在卷绕机主卷针1伸出穿过隔膜，隔膜预卷半圈；然后从T1时刻起手动或机器自动插入负极片，在恒定张力P1、恒定转速V1下预卷半圈；再插入正极片，在恒定张力P1、恒定转速V1下预卷半圈；上述负极片和正极片的预卷统称为极片预卷，该极片预卷完成时刻为T2时刻。所述张力P1的范围为4-8牛；比如5牛。所述转速V1的范围为180-260转/分钟；比如一般采用200转/分钟。上述张力P1和转速V1，可根据需要卷绕的极芯3参数进行调整，比如如果卷绕后极芯3的容量较大，也即极片的表面积对应较大，则此时其张力可设置相对高些，转速相对快些。反之，张力可相对低些，转速相对慢些，但相对的，本例中，为加快卷绕速度，其张力P1和转速V1均比传统情况下的张力和转速高。

S2、变张力转速卷绕步骤：完成上述极片预卷后，从T2时刻起，逐渐降低张力和转速，持续卷绕N圈后中断卷绕；其张力降至P2，转速降至V2；中断时刻为T3。所述张力P2的范围为1-4牛。所述转速V2＝V1*n，其中，所述n的范围为60％-80％。进一步优选地，所述转速V2的范围为100-200转/分钟。比如，当转速V1采用200转/分钟时，V2采用150转/分钟，V2＝V1*75％。

S3、恒张力转速卷绕步骤：从T3时刻中断上述卷绕后，员工手动或者自动插入副卷针2，在恒定张力P2、恒定转速V2下卷绕；这样，在副卷针2插入处，就出现了图3放大图中清楚可见的间隙a。完成该S3步骤的时刻为T4时刻。其中，所述副卷针2的宽度为5-40mm，厚度为0.1-1.5mm。所述副卷针2为非金属材质薄片或表面经过特殊处理(如镀铬、镀铁氟龙)的金属薄片，比如采用 表面镀铁氟龙金属薄片。如此，可避免极片之间的间隙过大，造成电池使用过程中析锂，产生安全隐患。因锂离子电池材料配方不同、外形尺寸不同，极片膨胀所需空间不同，因此，副针插入位置与规格有所差异。

所述步骤S2和步骤S3中的总卷绕圈数为M，该总圈数根据极片长度和上述主卷针1和副卷针2的参数进行设置，一般该M的范围为6-14圈。所述步骤S2中N≤1/2M。比如，所述N的范围为3-7。

S4、拔卷针步骤：然后从T4时刻起，进行收尾卷绕，至T5时刻完成该收尾卷绕，最后拔出所述主卷针1和副卷针2，即获得所述极芯3。所谓的收尾卷绕为本领域技术人员所公知。具体地。比如采用单卷针工位设备进行卷绕时，在步骤S3完成后，设备切刀切断隔膜，然后收尾卷绕，最后抽出所述主卷针和副卷针；当采用多卷针工位设备进行卷绕时，在第一个工位完成上述步骤S3后，卷针工位翻转，下一个卷针工位的主卷针穿隔膜，同时设备切刀切断隔膜，主卷针1进行收尾卷绕，最后抽出所述主卷针1和副卷针2，即获得所述极芯，下一个卷针工位重复如上步骤，以此类推。

本发明实施例提供的锂离子电池极芯卷绕方法，将其卷绕过程分成步骤S1、步骤S2、步骤S3和步骤S4，其步骤S1在较高张力和转速下预卷，步骤S2采取变张力和转速的方式卷绕，逐渐减低其张力和转速，并在步骤S3中插入副卷针2后再采取恒张力和转速的方式进行卷绕，最后步骤S4完成收尾卷绕和拔出卷针；由于其采用变张力和转速的卷绕方式，并在插入副卷针2后采用恒张力、恒转速进行卷绕，使主卷针1的内径发生变化，极芯3内部的极片之间间隙变大，为后工序极片膨胀预留空间，避免了应力集中现象，有效地降低电池起拱变形比例。同时，该种卷绕方式可提高卷绕速度，从而提升了锂离子电池的生产效率。

优选地，所述步骤S2中所述“然后逐渐低降低张力和转速”具体包括如下步骤：将张力和转速分成K档，逐渐降低所述张力和转速的档位，其中，K的取值范围为2-6。比如，假设其张力P1为5牛，张力P2为2牛，转速V1为200 转分钟；转速V2为150转/分钟；则可将其分成如下几档：转速依次为200转/分钟、190转/分钟、180转/分钟、170转/分钟、160转/分钟、150转/分钟；张力依次为5牛、张力依次为4.5牛、张力依次为4牛、张力依次为3.5牛、张力依次为3牛、张力依次为2.5牛、张力依次为2牛。

上述步骤S1中，其可预先在卷绕机上设定自动卷绕的相关参数，即设置上述张力P1、P2、转速V1、V2，设定各个卷绕的阶段、以及中断的时间，设定各档位中的张力和转速，卷绕机即自动运行，在如果该卷绕机为全自动卷绕设备，则可自动插入隔膜、正极片、负极片和中断后插入副卷针2进行卷绕。如果为半自动卷绕机，则需在卷绕过程中，设备自动插入隔膜、操作员手动插入正极片、负极片和中断后手动插入副卷针2。

本例同时提供了一种锂离子电池制备方法，包括如下步骤：采用上述锂离子电池极芯卷绕方法制作得到极芯3；

然后封装，真空烘烤，注液，化成，封口。本例中，上述封装，真空烘烤、注液，化成，封口等，一般还可选择性包括抽真空，分容等步骤。其均为本领域技术人员所公知，本例中仅涉及锂离子电池极芯的卷绕方法。而所述卷绕方法已在上述进行详细解释说明，因此不再赘述。

在现有锂离子电池制备过程中，为消除隔膜、极片可能产生的应力，一般在卷绕前需要对隔膜和极片进行烘烤，以消除应力，同时，在电池注液前，还必须对封装有极芯3的电芯进行真空烘烤。而采用本发明提供的该电池制备方法，其在极芯3卷绕的过程中，采取了变张力、转速，卷绕过程中采取插入副卷针2的方式，可有效消除极片之间的应力，防止产生弯矩，造成极片扭曲，最终降低起拱比例。采用该极芯3卷绕方法，就无需在极芯3卷绕前对其隔膜进行烘烤。

采用本发明实施例公开的该极芯卷绕方法和锂离子电池制备方法，申请人统计采用该极芯卷绕方法制备得到的极芯3，封装得到电池后，发现4个月内的产品中，其起拱比例均为0，已完全消除起拱现象。

本发明实施例提供的锂离子电池极芯卷绕方法和锂离子电池制备方法中，将其卷绕过程分成步骤S1、步骤S2、步骤S3和步骤S4，其步骤S1在较高张力和转速下预卷，步骤S2采取变张力和转速的方式卷绕，逐渐减低其张力和转速，并在步骤S3中插入副卷针2后再采取恒张力和转速的方式进行卷绕，最后步骤S4完成收尾卷绕和拔出卷针；由于其采用变张力和转速的卷绕方式，并在插入副卷针2后采用恒张力、恒转速进行卷绕，使主卷针1的内径发生变化，极芯3内部的极片之间间隙变大，为后工序极片膨胀预留空间，避免了应力集中现象，有效地降低电池起拱变形比例。同时，该种卷绕方式可提高卷绕速度，从而提升了锂离子电池的生产效率。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。