一种高效铰链式锂电池叠片设备及工艺的制作方法

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高效铰链式锂电池叠片设备及工艺。

背景技术：

锂离子电池具有放电电压高、重量轻、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应等优点而被广泛应用于智能手机、笔记本电脑、电动汽车、储能设备等领域。随着工业发展和消费水平的不断提升，针对锂离子电池新材料、新技术、新工艺的开发与应用正快速推进。锂离子电池极片涂布、辊压、分切后即进行电芯装配，根据结构的不同，电芯装配可分为卷绕和叠片两种方式。卷绕是将分条后的极片固定在卷针上，随着卷针转动将正极片、负极片以及隔膜卷成电芯；叠片是将正、负极片和隔膜裁成规定尺寸的大小，叠合成电芯单体。卷绕电芯多用于圆柱和方形铝壳电池，叠片电芯多用于软包电池。

目前锂离子电池卷绕工艺存在生产效率低、张力和线速度不稳定、电芯内阻大、卷绕电芯内部应力集中等不足。采用叠片工艺可有效降低电芯内阻和内部应力，提高电池比容量，改善电池循环寿命。然而叠片工艺过程繁琐，电芯装配时间长，生产效率极低，此外叠片电芯需进行多层分切，产品合格率低。为了提高锂离子电池电芯装配效率，简化生产工序，同时提高电池比容量和使用寿命，本发明提供了一种高效铰链式锂电池叠片设备及工艺。

技术实现要素：

本发明的目的就是提高锂离子电池装配效率，提出了的一种高效铰链式锂电池叠片设备及工艺。

本发明的技术方案为：它包括极片和隔膜放卷单元、分切单元、铰链叠片单元和电芯下料平台，所述的极片和隔膜放卷单元包括隔膜放卷机构(1)、正极片放卷机构(2)和负极片放卷机构(3)，极片和隔膜放卷单元的一侧设有导向辊(4)，导向辊(4)的一侧设有贴合辊(5)，其特征在于：贴合辊(5)一侧设有叠片平台(01)，叠片平台(01)上设有叠片平台定位块(13)、固定夹具(12)和叠片铰链(7)，叠片平台(01)的两侧设有驱动气缸(8)，驱动气缸(8)推动叠片铰链(7)，叠片平台(01)的一侧设有取料单元(9)和下料平台(10)。

所述的极片和隔膜放卷单元单工位或多工位，极片和隔膜放卷单元与导向辊(4)实现正负极耳位置对齐；所述分切单元采用圆盘分切、激光分切中的一种；所述叠片铰链(7)由多节铰链块构成，其数量与单电芯极片层数相等，宽度与单层极片相等；所述的驱动气缸(8)有推动气嘴(081)和回程气嘴(082)，并通过连接板(083)与叠片铰链(7)相连；所述叠片铰链(7)由多节铰链块(16)和铰链节(162)组成，铰链块(16)平面分布圆形阵列气孔(163)，侧面设置气管(161)，气孔(163)与气管(161)相贯通。

本发明还提供一种高效铰链式锂电池叠片制备工艺，它包括以下步骤：将正极片、隔膜和负极片同步放卷贴合后分切为电芯所需长度的分切条；分切条固定在叠片平台(01)上，各节铰链块真空吸附分切条，铰链块上分布的圆孔通过真空负压对分切条进行表面吸附，一方面固定，一方面防止打皱；采用叠片铰链(7)进行真空吸附；通过驱动气缸(8)左右推动叠片铰链(7)使分切条压缩成z型叠片；z型叠片贴胶；叠片铰链(7)通正压破真空；气缸回程，夹钳夹取电芯下料。

本发明采用高效铰链式锂电池叠片加工设备进行制备，所述的高效铰链式锂电池叠片加工设备包括极片和隔膜放卷单元、分切单元、铰链叠片单元和电芯下料平台，所述的极片和隔膜放卷单元包括隔膜放卷机构(1)、正极片放卷机构(2)和负极片放卷机构(3)，极片和隔膜放卷单元的一侧设有导向辊(4)，导向辊(4)的一侧设有贴合辊(5)，其特征在于：贴合辊(5)一侧设有叠片平台(01)，叠片平台(01)上设有叠片平台定位块(13)、固定夹具(12)和叠片铰链(7)，叠片平台(01)的两侧设有驱动气缸(8)，驱动气缸(8)推动叠片铰链(7)，叠片平台(01)的一侧设有取料单元(9)和下料平台(10)。所述叠片铰链(7)由多节铰链块(16)和铰链节(162)组成，铰链块(16)平面分布圆形阵列气孔(163)，侧面设置气管(161)，气孔(163)与气管(161)相贯通。所述的驱动气缸(8)有推动气嘴(081)和回程气嘴(082)，并通过连接板(083)与叠片铰链(7)相连。

本发明更体的步骤包括：

(1)、极片和隔膜分切：正极片、负极片和隔膜经放卷、除铁和纠偏定位后传送至贴合辊，贴合后的极片放卷至叠片平台后切为定长的分切条；所述隔膜位于正、负极片之间，隔离正、负极片；所述正极片的极耳中心线位于单层叠片宽向1/3～1/5位置，相邻片层的极耳关于极片分割线镜像对称；正、负极片重叠贴合后，正负极耳关于单层叠片中心对称；所述分切单元采用圆盘分切、激光分切中的一种；所述极片分切后进行吸附除尘处理；

(2)、分切条固定及吸附：叠片平台定位块对分切条进行定位，同时两端夹具对分切条进行固定；铰链块抽气对分切条进行真空吸附；所述叠片平台由多节铰链块组成，各节铰链块拉伸水平后处于同一平面；所述铰链块的数量与单电芯叠片层数相等，宽度与单层极片相等；所述铰链块平面分布圆形阵列气孔，侧面设置气管，气孔与主气管相贯通；所述表面阵列圆孔被极片完全覆盖；各节铰链块气管并联入相同主气管，同时抽气和吹气；所述铰链块通过气管抽气，使表面气孔在负压下对极片进行吸附，防止极片打皱和极耳卷曲；所述吸附负压为50～400torr；

(3)、z型叠片：铰链叠片单元两侧的驱动气缸推动铰链，铰链块上方的分切条随动，实现z型叠片；所述驱动气缸通过连接板与铰链相连，各节铰链块在气缸推力下z型折叠收缩；所述连接板上可连接1个或多个铰链，从而形成单工位或多工位铰链叠片；所述驱动气缸推进速度可通过推进气嘴气流量进行调节；所述铰链由气缸推送至终止位置，相邻铰链块的夹角为5～30°；所述铰链叠片单元可安装不同规格铰链块，同时生产不同电芯；

(4)、贴终止胶：利用贴胶机在叠好的电芯侧面贴胶；

(5)、正压脱链：通过铰链块气管向表面气孔吹气，使极片与铰链间空气隔离，便于脱附；

(6)、电芯下料：采用安装与机械臂上的夹钳夹取电芯，将电芯放置于下料平台上完成下料；所述取料夹钳可为气动、电动中的一种；所述机械臂上可安装多个取料夹钳，同时夹取多个电芯。

本发明所提供的铰链叠片电芯兼容了卷绕电芯和传统叠片电芯的优点，该技术方案具有以下优势：

(1)同卷绕工艺相比，本发明所需的极片极耳位置固定，上游的极耳模切工艺简单，模切速度快；

(2)同叠片工艺相比，本发明无需进行极片多次分切，工艺过程简单且极片毛刺、粉尘等不良少；

(3)本发明所提供的铰链叠片结构简单、生产效率高，同时可实现多工位、多规格、多类型产品的同步生产，灵活度高；

(4)制得的电芯活性物质利用率高，电池厚度薄，比容量高；

(5)叠片电芯内部应力小，无明显应力集中，电池容量衰减小，使用寿命高；

(6)电芯内部褶皱少，极耳在气孔吸附时不易弯曲，制得的电池循环性能和安全性好。

附图说明

图1为本发明所述铰链式锂电池叠片工艺流程图；

图2为本发明所述正、负极片及隔膜结构示意图；

图3为本发明所述极片分切条铰链定位示意图；

图4为本发明所述铰链叠片单元结构示意图；

图5为本发明所述铰链块结构示意图；

图6为本发明所述单电芯结构示意图。

图中各标志分别为：1—隔膜放卷机构；2—正极片放卷机构；3—负极片放卷机构；4—导向辊；5—贴合辊；6—分切单元；7—叠片铰链；8—驱动气缸；9—取料单元；10—下料平台；11—叠片电芯；011—隔膜；111—隔膜孔；021—单层正极片；211—正极耳；031—单层负极片；311—负极耳；12—固定夹具；13—定位块；14—单层叠片；15—单工位叠片单元；071—叠片一工位；072—叠片二工位；073—叠片三工位；074—叠片四工位；075—叠片五工位；076—叠片六工位；081—推动气嘴；082—回程气嘴；083—连接板；091—电芯夹钳；092—夹钳支架；16—铰链块；161—气管口；162—铰链节；163—气孔。

具体的实施方式

如图1所示，本发明一种高效铰链式锂电池叠片加工设备包括极片和隔膜放卷单元、分切单元、铰链叠片单元和电芯下料平台，所述的极片和隔膜放卷单元包括隔膜放卷机构(1)、正极片放卷机构(2)和负极片放卷机构(3)，极片和隔膜放卷单元的一侧设有导向辊(4)，导向辊(4)的一侧设有贴合辊(5)，贴合辊(5)一侧设有叠片平台(01)，如图3、图4所示，叠片平台(01)上设有叠片平台定位块(13)、固定夹具(12)和叠片铰链(7)，叠片平台(01)的两侧设有驱动气缸(8)，驱动气缸(8)推动叠片铰链(7)，叠片平台(01)的一侧设有取料单元(9)和下料平台(10)。

所述的极片和隔膜放卷单元单工位或多工位，极片和隔膜放卷单元与导向辊(4)实现正负极耳位置对齐；所述分切单元采用圆盘分切、激光分切中的一种；所述叠片铰链(7)由多节铰链块构成，其数量与单电芯极片层数相等，宽度与单层极片相等；如图5所示，所述的驱动气缸(8)有推动气嘴(081)和回程气嘴(082)，并通过连接板(083)与叠片铰链(7)相连；所述叠片铰链(7)由多节铰链块(16)和铰链节(162)组成，铰链块(16)平面分布圆形阵列气孔(163)，侧面设置气管(161)，气孔(163)与气管(161)相贯通。

本发明所涉及的一种高效铰链式锂电池叠片加工工艺，如图1所示为该锂电池叠片工艺流程图。首先，1隔膜放卷机构、2正极片放卷机构和3负极片放卷机构进行来料放卷，经4导向辊传送至5贴合辊位置，正极片、隔膜和负极片三层贴合。贴合后的极片输送至叠片平台右端后经6分切单元切为定长的分切条，13叠片平台定位块对分切条进行定位，同时两端12夹具对分切条进行固定。分切条由16铰链块进行负压吸附，随后7叠片铰链在8驱动气缸的推动下进行z型叠片，11叠片电芯由9取料单元放置到10下料平台，完成下料。本发明所述的极片和隔膜如图2所示，011隔膜为多孔结构，由密集的111隔膜孔形成，021正极片的211正极耳中心线位于单层叠片宽向的1/5～1/3位置，相邻极耳关于叠片分割线镜像对称；031负极片的311负极耳与正极耳关于单层叠片中心线对称。如图3所示，分切条放置在铰链平台后由两端的定位块13和12固定夹具固定，正负极耳关于14单层叠片的中心对称，每条铰链对应15单个叠片工位，图3包含六个叠片工位。如图4所示，071为叠片一工位，072叠片二工位，073叠片三工位，074叠片四工位，075叠片五工位；076叠片六工位。驱动气缸具有081推动气嘴和082回程气嘴，通过083连接板与铰链相连，取料单元由091电芯夹钳和092夹钳支架组成。所述铰链由多节16铰链块组成，铰链块平面分布163圆形阵列气孔，侧面设置161气管，气孔与主气管相贯通，如图5所示。图6所示为叠片后的电芯，隔膜、正极片和负极片z型折叠，正极耳和负极耳分别位于叠片的两侧。下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1一种铰链式锂电池叠片工艺为：

(1)极片和隔膜分切：正极片、负极片和隔膜经放卷、除铁和纠偏定位后传送至贴合辊，贴合后的极片放卷至叠片平台后切为定长的分切条；所述隔膜位于正、负极片之间，隔离正、负极片；特别地，所述正极片的极耳中心线位于单层叠片宽向1/3位置，相邻片层的极耳关于极片分割线镜像对称；正、负极片重叠贴合后，正负极耳关于单层叠片中心对称；所述分切单元采用圆盘分切；所述极片分切后进行吸附除尘处理；

(2)分切条固定及吸附：叠片平台定位块对分切条进行定位，同时两端夹具对分切条进行固定；铰链块抽气对分切条进行真空吸附；所述叠片平台由多节铰链块组成，各节铰链块拉伸水平后处于同一平面；所述铰链块的数量与单电芯叠片层数相等，宽度与单层极片相等；所述铰链块平面分布圆形阵列气孔，侧面设置气管，气孔与主气管相贯通；所述表面阵列圆孔被极片完全覆盖；各节铰链块气管并联入相同主气管，同时抽气和吹气；所述铰链块通过气管抽气，使表面气孔在负压下对极片进行吸附，防止极片打皱和极耳卷曲；所述吸附负压为100torr；

(3)z型叠片：铰链叠片单元两侧的驱动气缸推动铰链，铰链块上方的分切条随动，实现z型叠片；

特别地，所述驱动气缸通过连接板与铰链相连，各节铰链块在气缸推力下z型折叠收缩；所述连接板上可连接1个铰链，从而形成单工位铰链叠片；所述驱动气缸推进速度可通过推进气嘴气流量进行调节；所述铰链由气缸推送至终止位置，相邻铰链块的夹角为10°；

(4)贴终止胶：利用贴胶机在叠好的电芯侧面贴胶；

(5)正压脱链：通过铰链块气管向表面气孔吹气，使极片与铰链间空气隔离，便于脱附；

(6)电芯下料：采用安装与机械臂上的夹钳夹取电芯，将电芯放置于下料平台上完成下料；所述取料夹钳可为气动。

实施例2一种铰链式锂电池叠片工艺为：

(1)极片和隔膜分切：正极片、负极片和隔膜经放卷、除铁和纠偏定位后传送至贴合辊，贴合后的极片放卷至叠片平台后切为定长的分切条；所述隔膜位于正、负极片之间，隔离正、负极片；所述正极片的极耳中心线位于单层叠片宽向1/4位置，相邻片层的极耳关于极片分割线镜像对称；正、负极片重叠贴合后，正负极耳关于单层叠片中心对称；所述分切单元采用激光分切；所述极片分切后进行吸附除尘处理；

(2)分切条固定及吸附：叠片平台定位块对分切条进行定位，同时两端夹具对分切条进行固定；铰链块抽气对分切条进行真空吸附；所述叠片平台由多节铰链块组成，各节铰链块拉伸水平后处于同一平面；所述铰链块的数量与单电芯叠片层数相等，宽度与单层极片相等；所述铰链块平面分布圆形阵列气孔，侧面设置气管，气孔与主气管相贯通；所述表面阵列圆孔被极片完全覆盖；各节铰链块气管并联入相同主气管，同时抽气和吹气；特别地，所述铰链块通过气管抽气，使表面气孔在负压下对极片进行吸附，防止极片打皱和极耳卷曲；所述吸附负压为300torr；

(3)z型叠片：铰链叠片单元两侧的驱动气缸推动铰链，铰链块上方的分切条随动，实现z型叠片；所述驱动气缸通过连接板与铰链相连，各节铰链块在气缸推力下z型折叠收缩；所述连接板上可连接多个铰链，从而形成多工位铰链叠片；所述驱动气缸推进速度可通过推进气嘴气流量进行调节；所述铰链由气缸推送至终止位置，相邻铰链块的夹角为20°；

(4)贴终止胶：利用贴胶机在叠好的电芯侧面贴胶；

(5)正压脱链：通过铰链块气管向表面气孔吹气，使极片与铰链间空气隔离，便于脱附；

(6)电芯下料：采用安装与机械臂上的夹钳夹取电芯，将电芯放置于下料平台上完成下料；所述取料夹钳可为电动。

实施例3一种铰链式锂电池叠片工艺为：

(1)极片和隔膜分切：正极片、负极片和隔膜经放卷、除铁和纠偏定位后传送至贴合辊，贴合后的极片放卷至叠片平台后切为定长的分切条；所述隔膜位于正、负极片之间，隔离正、负极片；所述正极片的极耳中心线位于单层叠片宽向1/5位置，相邻片层的极耳关于极片分割线镜像对称；正、负极片重叠贴合后，正负极耳关于单层叠片中心对称；所述分切单元采用激光分切；所述极片分切后进行吸附除尘处理；

(2)分切条固定及吸附：叠片平台定位块对分切条进行定位，同时两端夹具对分切条进行固定；铰链块抽气对分切条进行真空吸附；所述叠片平台由多节铰链块组成，各节铰链块拉伸水平后处于同一平面；所述铰链块的数量与单电芯叠片层数相等，宽度与单层极片相等；所述铰链块平面分布圆形阵列气孔，侧面设置气管，气孔与主气管相贯通；所述表面阵列圆孔被极片完全覆盖；各节铰链块气管并联入相同主气管，同时抽气和吹气；所述铰链块通过气管抽气，使表面气孔在负压下对极片进行吸附，防止极片打皱和极耳卷曲；所述吸附负压为400torr；

(3)z型叠片：铰链叠片单元两侧的驱动气缸推动铰链，铰链块上方的分切条随动，实现z型叠片；所述驱动气缸通过连接板与铰链相连，各节铰链块在气缸推力下z型折叠收缩；所述连接板上可连接多个铰链，从而形成多工位铰链叠片；所述驱动气缸推进速度可通过推进气嘴气流量进行调节；所述铰链由气缸推送至终止位置，相邻铰链块的夹角为30°；

(4)贴终止胶：利用贴胶机在叠好的电芯侧面贴胶；

(5)正压脱链：通过铰链块气管向表面气孔吹气，使极片与铰链间空气隔离，便于脱附；

(6)电芯下料：采用安装与机械臂上的夹钳夹取电芯，将电芯放置于下料平台上完成下料；

特别地，所述取料夹钳可为电动。