一种卷绕式叠片电池单体电极组件的制造装置的制作方法

本实用新型涉及卷绕式叠片电池技术领域，具体涉及一种卷绕式叠片电池单体电极组件的制造装置。

背景技术：

随着石油危机和环境污染的加剧，人们逐渐将目光投向清洁能源领域，具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、环保无污染的锂二次电池倍受关注，已被广泛运用在电脑、手机、电动汽车等不同领域，在生活中逐渐占据主导地位。

二次电池主要是由具有正极极片、隔膜、负极极片结构的电极组件构成，电极组件可分为卷绕式组件和叠片式组件。卷绕式组件的制备方法如下：先将电极活性材料均匀涂覆在作为集流体的金属箔上，经过干燥、碾压、分切工序分别得到具有期望宽度的带状正极极片和负极极片，在隔膜被放置在正、负极极片之间的状态下进行卷绕。叠片式组件是先得到指定宽度和长度的正、负极极片，并用隔膜将二者隔离，即按着正极极片/隔膜/负极极片的结构进行连续层叠。

然而，常规电极组件存在如下问题：卷绕式电极组件，由于电极组件的截面是圆形或椭圆形，在电池的充放电期间，电极的膨胀和收缩可能会导致电极之间的间隙不均匀，从而造成电池性能下降；虽然卷绕式电极组件适用于圆柱形电池，但当其运用到角型或袋型电池时，就会出现极片易在弯折处断裂、电极活性材料脱落、空间利用率低等缺陷；该电极组件正面与侧面的张力不一致，会导致内部反应不均匀；同时还有极片较长、电池内阻大，不利于大倍率充放电，比功率小等缺点。叠片式电极组件，该电极组件的制备过程复杂，需要大量时间和精力来执行顺序堆叠过程，不易实现机械化操作，生产效率低；极片需要冲切，产生的边料和断面较多，易刺穿隔膜，造成电池内部短路等。

为了解决上述问题，已经研制出了一种卷绕式叠片电极组件，其是卷绕式电极组件和叠片式电极组件的结合体。卷绕式叠片电极组件的制备过程如下：将具有预定尺寸的若干个正极极片、双侧涂胶粘性隔膜、负极极片按着粘性隔膜被放置在正、负极极片之间的状态下进行热压处理，得到单体电极组件；将单体电极组件按顺序依次放置在单侧涂胶的粘性隔膜上进行卷绕，就得到了卷绕式叠片电极组件。卷绕式叠片电极组件在继承了卷绕式电极组件易于机械化操作和叠片电极组件内阻小、利于大倍率充放电、尺寸灵活的优点基础上，也极大的弥补了二者的缺陷。目前卷绕式叠片电极组件的卷绕方式仍然类似于卷绕式电极组件：缠绕夹具夹持第一个单体电极组件并旋转，使得各单体电极组件在被隔膜隔离的状态下实现依次堆叠，直到完成一个周期的卷绕。

然而，上述卷绕方式存在两个显著缺陷：一、缠绕夹具有上、下两块夹板，与每块夹板上、下面相接触的分别是单体电极组件、隔膜的表面，由于不同材料间的摩擦系数不同，每块夹板在抽出过程中上、下表面的摩擦力也不相同，从而导致卷芯受力不均而发生变形；当料带的卷绕张力过大时，还会出现夹板难以抽出的现象。二、由于料带的张力不易控制，上述卷绕方式所生产卷芯的截面易呈现椭圆形，致使单体电极组件之间的空隙较大，接触不紧密。上述两个显著缺陷都会导致最终的电池性能变差。

因此，急需一种能够同时克服上述各种缺陷、提升电池制造品质的卷绕式叠片电池单体电极组件的制造装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种卷绕式叠片电池单体电极组件的制造装置，该装置能够实现极片或单体电极组件的精确粘结、连接热压，在连续的对粘结有极片或单体电极组件的双侧涂胶粘性隔膜进行热压时，不但能实现极片或单体电极组件的整齐排列，而且在热压时可保持极片或单体电极组件相对固定的同时，还能顺利排出各极片与双侧涂胶粘性隔膜之间的空气，使经过热压后形成的单体电极组件的内部接触更紧密，即使在长期使用后仍具有良好的性能表现，从而极大地提高了电池质量。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种卷绕式叠片电池单体电极组件的制造装置，包括用于从供料箱中抽取极片或单体电极组件并将其粘结在双侧涂胶粘性隔膜的两侧的送料机构、用于使双侧涂胶粘性隔膜保持一定的张力并使其保持间歇运动的张力机构、用于对极片或单体电极组件的表面施加热和力负荷的热压机构、以及用于在热压完成后切断双侧涂胶粘性隔膜以使其与新形成的单体电极组件脱离的裁切机构。

进一步的，所述用于从供料箱中抽取极片或单体电极组件并将其粘结在双侧涂胶粘性隔膜的两侧的送料机构包括供料箱、设置在供料箱上方的转轮、设置在转轮上且沿转轮圆周方向均匀分布的若干个触手以及设置在触手外端的吸盘。所述供料箱包括箱体、设置在箱体内且与箱体内壁滑动配合的供料板、开设在箱体顶部吸附槽以及对称开设在箱体上端左右两侧的两个侧面槽；所述供料板的底部与供料箱底部内侧壁之间连接有供料弹簧；所述吸附槽与侧面槽是相通的。

进一步的，所述用于使双侧涂胶粘性隔膜保持一定的张力并使其保持间歇运动的张力机构包括对称设置在双侧涂胶粘性隔膜上下两侧的上张力滚轮和下张力滚轮，且该张力机构的数量为两套。本实用新型中的张力机构，用于使双侧涂胶粘性隔膜保持一定的张力，以便于极片或单体电极组件的粘结、热压，同时还可实现双侧涂胶粘性隔膜的间歇运动。

进一步的，所述用于对极片或单体电极组件的表面施加热和力负荷的热压机构包括热压轮、对称设置在热压轮轴向两端的动作执行部、套设在动作执行部上端的框架、与框架相连的热压滑块、贯穿安装在热压滑块中且与热压滑块滑动配合的热压导轨、连接在热压滑块侧壁上的热压摇杆以及与热压摇杆转动配合的热压曲柄。所述热压轮上设有电阻丝。

所述动作执行部包括开口向下的U型底架、自上而下依次穿过框架和底架顶部的顶杆、嵌入设置在底架内且与顶杆下端相连的底块、连接在底块上且与底块转动配合的撑杆、与撑杆的下端转动配合且连接在热压轮轴向端部的支撑轴、两端分别与底架下端侧壁和支撑轴转动配合的导杆、套设在导杆上且两端分别底架内侧壁与导杆内端相连的导杆弹簧。所述顶杆上套设有顶杆弹簧，且该顶杆弹簧的上端连接在框架的底部，下端连接在底块的顶部。

随着热压滑块的下移，热压轮及热压轮上的电阻丝，对极片或单体电极组件施加热和压力。

进一步的，所述用于在热压完成后切断双侧涂胶粘性隔膜以使其与新形成的单体电极组件脱离的裁切机构包括设置在双侧涂胶粘性隔膜下方的裁切台以及分别设置在双侧涂胶粘性隔膜上方的裁刀和扫描设备。热压后形成的单体电极组件经上张力滚轮及下张力滚轮被送至裁切台，当扫描设备无法捕捉到极片时，裁刀会迅速动作，切断双侧涂胶粘性隔膜，使单体电极组件与双侧涂胶粘性隔膜脱离。

本实用新型的工作原理及工作过程为：

利用本实用新型进行单体电极组件的制作之前，需要得到预定大小的正、负极极片并将其按一定方向放置在送料机构的供料箱中，经过粘结、热压、裁切之后得到单体电极组件。由于本实用新型涉及的卷绕式叠片电池单体电极组件可以由若干个正极极片、双侧涂胶粘性隔膜、负极极片热压而成，因此，可以将极片/单体电极组件、单体电极组件/单体电极组件再通过本实用新型装置而得到新的单体电极组件，从而可满足对单体电极组件不同堆叠层数的需求。

送料机构中，转轮作旋转运动，沿其周向均匀分布有若干个触手，且每个触手的末端都配有吸盘且该吸盘始终处于吸气状态；极片或单体电极组件放置在供料箱中，吸盘将其抽出并借助于转轮的旋转运动而将其粘结在双侧涂胶粘性隔膜的一侧，由于双侧涂胶粘性隔膜的两侧都需要粘结极片或单体电极组件，因此本实用新型需要两套送料机构且分别位于双侧涂胶粘性隔膜的两侧。开始粘结时，为了保证极片或单体电极组件在双侧涂胶粘性隔膜的两侧排列整齐，两套送料机构的初始状态要保持相同，且粘结位置要处于两套张力滚轮之间，即要确保粘结在双侧涂胶粘性隔膜上的极片或者单体电极组件只有在经过热压处理后才能通过张力滚轮。

本实用新型同样需要两套热压机构来完成极片或单体电极组件的热压，且热压机构分别位于双侧涂胶粘性隔膜的两侧。热压机构中，热压曲柄作旋转运动且热压导轨保持完全固定，热压曲柄通过热压摇杆推动热压滑块沿热压导轨运动，随着热压滑块的下移，两套热压机构的热压轮逐渐靠近且慢慢挤压粘结在双侧涂胶粘性隔膜两侧的极片或单体电极组件。本实用新型每套热压机构都配有两个热压轮，每个热压轮都是半圆柱体与长方体的结合，这样就使得热压轮的热压面既有平面又有圆弧面，首先由平面挤压极片或单体电极组件的中心区域，可确保在施压过程中两者不致发生相对移动而造成排列散乱，随热压滑块的继续下移，撑杆将驱动热压轮旋转，此时圆弧面开始从极片或单体电极组件的中心向两侧进行施压，实现内部气体的顺利排出。

经过热压后形成的单体电极组件由张力滚轮送至裁切机构的裁切台，只有在扫描设备先捕捉到极片信息然后信息中断的状态下，裁刀才会动作，从而使单体电极组件与双侧涂胶粘性隔膜实现脱离。裁切后的单体电极组件还可以放置在送料机构的供料箱中，与极片或者单体电极组件再次组合进行热压，从而得到不同堆叠层数的单体电极组件。

单体电极组件的厚度会随着其堆叠层数的增加而增加，因此当单体电极组件与极片或者单体电极组件与单体电极组件相配合进行热压时，随着新形成单体电极组件厚度的增加，要逐渐提高热压轮的温度、顶杆弹簧和导杆弹簧的弹性系数，以使热压机构能提供更大的热量及压力，从而保证热压效果。由于两套热压机构需要保持运动的一致性，因此在双侧涂胶粘性隔膜两侧粘结的单体电极组件与极片或单体电极组件与单体电极组件之间的厚度应尽量保持相同，不宜相差较大，否则会引起双侧涂胶粘性隔膜的变形，从而影响热压质量。

本实用新型的张力机构能实现双侧涂胶粘性隔膜的间歇运动，送料机构的转轮保持匀转速运动，当转轮吸附极片或单体电极组件运动到触手与双侧涂胶粘性隔膜垂直时，此时双侧涂胶粘性隔膜开始运动，且运动速度与极片或单体电极组件靠近双侧涂胶粘性隔膜一侧的边缘中心处的线速度保持一致；当极片或单体电极组件的中心与热压轮的中心重合时，双侧涂胶粘性隔膜停止运动，此时热压机构开始对极片或单体电极组件进行热压处理；热压完成后，热压轮逐渐远离双侧涂胶粘性隔膜直到距离最大，此时转轮吸附极片或单体电极组件又刚好运动到触手与双侧涂胶粘性隔膜垂直处，这时双侧涂胶粘性隔膜又开始运动且速度值与上述速度相同；同时热压轮也开始向双侧涂胶粘性隔膜逐渐靠近，当双侧涂胶粘性隔膜停止运动之后，热压轮刚好接触到极片或单体电极组件的表面，开始新一周期的热压。

由以上技术方案可知，本实用新型能够实现极片或单体电极组件的精确粘结、连接热压，在连续的对粘结有极片或单体电极组件的双侧涂胶粘性隔膜进行热压时，不但能实现极片或单体电极组件的整齐排列，而且在热压时可保持极片或单体电极组件相对固定的同时，还能顺利排出各极片与双侧涂胶粘性隔膜之间的空气，使经过热压后形成的单体电极组件的内部接触更紧密，即使在长期使用后仍具有良好的性能表现，从而极大地提高了电池质量。

附图说明

图1是本实用新型中单体电极组件示例性结构的典型视图；

图2是本实用新型中单体电极组件在单侧涂胶粘性隔膜上排列粘结的结构示意图；

图3是利用本实用新型装置将极片或单体电极组件进行热压处理的结构示意图；

图4是本实用新型装置三维空间布局的结构示意图；

图5a是本实用新型中供料箱的结构示意图；

图5b是本实用新型中供料箱的使用状态示意图；

图6a是本实用新型中送料机构的结构示意图；

图6b是本实用新型中未包含供料箱的送料机构的结构示意图；

图6c是本实用新型中送料机构中触手的结构示意图；

图6d是本实用新型中送料机构中吸盘的结构示意图；

图7a是本实用新型中热压机构的结构示意图（未包含热压曲柄、热压摇杆和热压导轨）；

图7b是本实用新型中热压机构的局部结构示意图（包括框架的局部、热压滑块的局部、顶杆的局部、热压导轨的局部、顶杆弹簧、底架、底块、撑杆、支撑轴、导杆、导杆弹簧；未包含热压曲柄和热压摇杆）

图8是本实用新型中热压轮施压过程的结构示意图；

图9是本实用新型中张力机构的结构示意图；

图10是本实用新型中双侧涂胶粘性隔膜的运动速度随时间变化的示意图；

图11a和11b是本实用新型中裁切机构的结构示意图；

图12是本实用新型中不同堆叠模式单体电极组件的优选热压方式的示意图。

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和图2是本实用新型中单体电极组件及其在单侧涂胶粘性隔膜上排列粘结的示例性结构典型视图。单体电极组件104是由若干层正极极片100、双侧涂胶粘性隔膜101、负极极片102经热压工艺得到的，图1示出了适用于本实用新型装置的单体电极组件对应的三种典型单元结构，分别是正极极片/粘性隔膜/负极极片、正极极片/粘性隔膜/负极极片/粘性隔膜/正极极片、负极极片/粘性隔膜/正极极片/粘性隔膜/负极极片。单体电极组件可以包含若干个上述单元结构，本实用新型不约束其数量，且不限制各典型单元结构的层数。

图2示出了单体电极组件104在单侧涂胶粘性隔膜103上的卷绕过程，单体电极组件104在单侧涂胶粘性隔膜103上的排列具有方向性，以图2所示单体电极组件为例进行说明，正极极片100在上的定义为A型单体电极组件，负极极片102在上的定义为B型单体电极组件，A、B型单体电极组件需要交错分布。

图3是利用本实用新型装置将极片或单体电极组件进行热压处理的结构示意图，本实用新型装置包括送料机构200、张力机构300、热压机构400和裁切机构500。

图4是本实用新型装置三维空间布局的结构示意图。送料机构200包括供料箱201、转轮202、触手203和吸盘204。张力机构300包括张力滚轮301和张力滚轮302两套张力滚轮，每套张力滚轮又分别包括两个滚轮303（分别为上张力滚轮和下张力滚轮）。热压机构400包括热压曲柄401、热压摇杆402、热压滑块403和热压导轨404，其中热压滑块403上还配有框架4031、顶杆4032、顶杆弹簧4033、底架4034、底块4035、撑杆4036、导杆4037、导杆弹簧4038和热压轮4039。裁切机构500包括裁切台501、裁刀502和扫描设备503。

图5a和5b是本实用新型中送料机构200中供料箱201的结构示意图。供料箱201包括箱体2011、供料板2012和供料弹簧2013，其中供料板2012可沿箱体2011的内壁上下滑动。本实施例以正极极片100为例进行说明，正极极片100放置在供料板2012上，供料弹簧2013向供料板2012提供推力，将促使位于顶层的极片100紧紧贴合箱体2011的内壁。在箱体2011上还开有吸附槽2014、侧面槽2015，其中侧面槽2015的高度稍大于极片100的厚度，以保证每次只能有一个极片100从侧面槽2015中通过。

图6a-图6d是本实用新型中送料机构200的结构示意图，触手203安装在转轮202上，触手203为中空结构且其末端都配有吸盘204，吸盘204始终处于吸气状态。转轮202绕其中心轴线作匀速旋转运动，触手203通过吸附槽2014时，吸盘204紧紧吸附极片100并将其从侧面槽2015中抽出，并最终将极片100粘结在双侧涂胶粘性隔膜101的一侧。双侧涂胶粘性隔膜101的两侧都各放置一套送料机构200，而且两者的运动状态始终保持同步。

图7a和图7b是本实用新型中热压机构400的结构示意图。其中框架4031与滑块403固连，框架4031与顶杆4032是圆柱配合且顶杆4032可沿框架4031上下移动，顶杆4032与底块4035固连且底块4035又通过顶杆弹簧4033与框架4031固连，底架4034上开有圆形孔，可允许顶杆4032、顶杆弹簧4033通过。撑杆4036的一端与底块4035相连，另一端与热压轮4039的支撑轴40310相连，且均采用圆柱配合，即撑杆4036可绕底块4035、支撑轴40310作旋转运动且撑杆4036均无法沿支撑轴40310的轴向运动。导杆4037的一端与支撑轴40310相连，另一端与底架4034相连，且均采用圆柱配合，即撑杆4036可绕支撑轴40310作旋转运动且可沿底架4034作纵向滑动（本实用新型中将平行于双侧涂胶粘性隔膜101运动速度的方向定义为纵向）。导杆弹簧4038的一端与导杆4037相连，另一端连接在底架4034上。

图8是本实用新型中热压轮4039施压过程的结构示意图，热压滑块403通过框架4031将力传递给顶杆弹簧4033，顶杆弹簧4033又通过底块4035将力传递到撑杆4036上，并最终作用在支撑轴40310上。本实用新型中热压轮4039的形状是半圆柱体与长方体的结合，支撑轴40310的旋转轴与半圆柱体的旋转轴重合。热压轮4039的内部放置电阻丝，用于加热热压轮4039，提供热压时所需的热量。

热压滑块403逐渐向双侧涂胶粘性隔膜101的方向移动并最终使热压轮4039接触到极片100的表面，此时热压轮4039的两个长方体部分压在极片100的中心区域，热压轮4039开始对极片100施加热载荷。之后，随着滑块403继续向双侧涂胶粘性隔膜101的方向移动，此时顶杆弹簧4033逐渐被压缩，支撑轴40310受到的纵向力也不断增加，但由于导杆弹簧4038始终处于压缩状态，其会对支撑轴40310施加反向弹簧力，从而阻碍热压轮4039的运动。当顶杆弹簧4033继续压缩并使支撑轴40310受到的纵向力大于反向弹簧力时，底块4035开始下移，撑杆4036间的夹角也逐渐增大，撑杆4036促使热压轮4039绕着支撑轴40310旋转，导杆4037随着支撑轴40310沿纵向运动且导杆弹簧4038也逐渐被压缩。当热压滑块403运动到底部极限位置时，热压轮4039能够对整个极片100的表面进行热压。

当热压滑块403从底部极限位置逐渐向远离双侧涂胶粘性隔膜101的方向移动时，此时顶杆弹簧4033的压缩量逐渐变小，底块4035开始上移，撑杆4036间的夹角慢慢减小。当导杆弹簧4038驱动支撑轴40310回到初始位置时，此时顶杆弹簧4033仍处于压缩状态，随热压滑块403的继续移动，顶杆弹簧4033的压缩量逐渐减小到零后慢慢被拉伸，当顶杆弹簧4033的拉伸力大于顶杆4032、底架4034、底块4035、撑杆4036、导杆4037、导杆弹簧4038、热压轮4039、支撑轴40310的重量之和时，热压轮4039会被抬离极片100的表面并随热压滑块403的移动而逐渐远离双侧涂胶粘性隔膜101。

热压滑块403运动到顶部极限位置后就开始逐渐向靠近双侧涂胶粘性隔膜101的方向移动，当热压轮4039接触到极片100的表面时，顶杆弹簧4033仍处于拉伸状态。随着热压滑块403的继续运动，顶杆弹簧4033的拉伸量逐渐减小到零并慢慢处于压缩状态，从而开始重复上述过程。

图9是本实用新型中张力机构300的结构示意图，本实用新型中，送料机构200将极片100粘结在双侧涂胶粘性隔膜101上时，应使粘结点位于张力滚轮301和张力滚轮302之间，确保极片100与极片102只有在完成热压处理后才能经过滚轮303。

图10是本实用新型中双侧涂胶粘性隔膜101的运动速度随时间变化示意图，本实用新型中的张力机构300可实现双侧涂胶粘性隔膜101的间歇运动。当热压滑块403运动到顶部极限位置时，此时触手203吸附的极片100靠近双侧涂胶粘性隔膜101并与其平行，双侧涂胶粘性隔膜101这时开始运动，速度为V，此速度与极片100靠近双侧涂胶粘性隔膜101一侧的边缘中心处的线速度保持一致，设此时转轮202旋转中心距双侧涂胶粘性隔膜101的距离为R，转轮202的角速度为ω₁，因此V = R*ω₁。

随着热压滑块403的继续移动，当热压轮4039接触到极片100的表面时，此时双侧涂胶粘性隔膜101的速度为零，且一直保持到热压滑块403再次运动到顶部极限位置时为止。本实用新型中，设热压滑块403从顶部极限位置运动到热压轮4039接触到极片100的表面所经历的时间为T，令热压轮4039从接触到极片100的表面，完成热压后，热压滑块403再次运动到顶部极限位置所用的时间为T₀，因此T+T₀即是热压机构400的运动周期。取热压曲柄401的角速度为ω₂，此时应有（T+T₀）*ω₂= 2π，触手203之间的夹角θ=（T+T₀）*ω₁，因此θ=（ω₁*2π）/ω₂ ，极片100之间的间隔S = V*T = R*ω₁*T。

图11是本实用新型中裁切机构500的结构示意图，经热压处理过的极片100通过滚轮303被送至裁切台501上，只有当扫描设备503捕捉到极片100的信息，随后信息中断的状态下，裁刀502才会动作，即切断双侧涂胶粘性隔膜101，由此形成的单体电极组件104在自身重力作用下从裁切台501的边缘滑落，从而为后续单体电极组件的裁切腾出空间。

图12是本实用新型中不同堆叠模式单体电极组件的优选热压方式的示意图，上述说明是以正极极片100/双侧涂胶粘性隔膜101/负极极片102为例来阐述利用本实用新型装置制造单体电极组件104的步骤，针对堆叠层数较多的单体电极组件，可以利用单体电极组件/极片或者单体电极组件/单体电极组件的方式进行热压。由于分列双侧涂胶粘性隔膜101两侧的热压机构400具有运动的同步性，因此，为了避免双侧涂胶粘性隔膜101在热压时发生变形，双侧涂胶粘性隔膜101两侧的单体电极组件或极片的厚度应尽量保持相同。

本实用新型中，在上述装置的基础上，去除顶杆弹簧4033，将框架4031与顶杆4032固连，也可以完成热压动作。但是增加顶杆弹簧4033的优势在于：一、热压轮4039接触到极片的表面时就开始为极片提供热载荷，随着施加在热压轮4039上的力逐渐增大，撑杆4036慢慢驱动热压轮4039旋转，这就为极片留下了足够的热压时间。二、热压轮4039施加在极片上的力过渡平稳，避免了刚性力对极片可能造成的损坏。本实用新型装置中由于存在顶杆弹簧4033，因此只能将本实用新型装置进行水平放置，即此时的双侧涂胶粘性隔膜101要垂直于地面。如果去除顶杆弹簧4033，将框架4031与顶杆4032固连，此时的装置可以进行水平或者竖直放置，即双侧涂胶粘性隔膜101可垂直或平行于地面。

综上所述，本实用新型可实现卷绕式叠片电池单体电极组件粘结的位置精确性和热压的紧密性。热压时不仅能够有效防止极片或单体电极组件排列散乱，而且实现了从极片或单体电极组件的中心向两侧施压，可顺利排除极片间夹杂的空气。本实用新型装置可大大提高热压质量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。