一种叠片式锂电池的装配方法及叠片式锂电池与流程

1.本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种叠片式锂电池的装配方法及叠片式锂电池。


背景技术：

2.目前锂电池在动力和储能市场已得到广泛应用，随着技术发展，要求锂电池具备更大容量、更高能量密度和优异的快充能力。目前普遍采用方形铝壳封装方式提升单体电池体积，提高单体电池容量。采用减少电池内部组件的方法提高体积利用率以提升单体电池能量密度。相对于卷绕工艺，叠片工艺电池可有效提升极片过流面积，具备高倍率充放电能力。
3.传统的叠片式锂电池装配方法如下（如专利cn113964370a）：采用的正、负极极片为单个极片成型，将单个正、负极极片进行叠片形成单个裸电芯后，将两个裸电芯的正极极耳通过正极连接片连接，负极极耳通过负极连接片连接，连接方式为超声波焊接，完成一次合芯，获得极组；而后将正、负极连接片通过激光焊接与盖板连接，使盖板的两侧分别连接一个极组；而后将盖板的两侧的极组进行二次合芯，使四个裸电芯均与盖板平面垂直，而后进行贴胶、包膜、入壳。
4.上述装配方法存在以下问题：（1）采用的正、负极极片为单个极片成型，每个极片单独模切成型，极片成型效率和后续的叠片效率低；（2）采用正、负极连接片连接两个裸电芯的正、负极极耳，所需要的连接片较多，易造成良品率较低，可制造性较差；（3）需要进行两次合芯，工艺复杂，同时还会造成不稳定因素增多。


技术实现要素：

5.为了解决现有的叠片式锂电池装配方法效率低、工艺复杂、良品率和可制造性差的技术问题，本发明提供了一种叠片式锂电池的装配方法及叠片式锂电池。该装配方法采用
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高速一体两翼”制片工艺，能提高极片的模切成型效率和叠片效率，简化装配工序，实现较高的良品率和可制造性。
6.本发明的具体技术方案为：第一方面，本发明提供了一种叠片式锂电池的装配方法，包括以下步骤：（1）将正极浆料和负极浆料分别涂覆到正极集流体和负极集流体上，经烘干后，获得预制正极片和预制负极片；所述预制正极片和预制负极片上均设有未涂覆浆料的空白区域，所述空白区域的两侧分别设有涂覆有浆料的涂覆区域；（2）对预制正极片和预制负极片进行压实后，再进行模切，获得复合正极片和复合负极片；所述复合正极片包括两个正极片和一个正极极耳，所述两个正极片之间通过正极极耳相连；所述复合负极片包括两个负极片和一个负极极耳，所述两个负极片之间通过负极极耳相连；（3）将多个复合正极片、多个复合负极片和多个隔膜进行叠片，使各复合正极片的
正极极耳重叠，各复合负极片的负极极耳重叠，正极极耳与负极极耳不重叠，获得预装配极组；（4）在预装配极组中，将各复合正极片的正极极耳焊接到一起，并将各复合负极片的负极极耳焊接到一起，而后将正极极耳和负极极耳焊接到顶盖上，再弯折正极极耳和负极极耳，进行合芯并固定，获得极组。
7.本发明采用“高速一体两翼”制片工艺，即：在正、负极浆料的涂覆过程中，均保留未涂覆浆料的空白区域，且空白区域的两侧均为涂覆区域；在模切过程中，空白区域经模切形成极耳，其两侧的涂覆区域经模切分别形成一个极片，获得的复合正、负极片均为极片-极耳-极片的一体化结构。采用上述“高速一体两翼”制片工艺，模切设备每次动作能形成两个正极极片或两个负极极片，大大提高了极片的模切成型效率，且后续叠片过程中，能同时进行两个极片的叠片，因而能提高叠片效率，且控制精度更高，易于对齐（经试验，传统的装配方法对齐度只能控制到
±
0.5mm，而本发明能控制到
±
0.3mm）。
8.此外，由于采用了“高速一体两翼”制片工艺，只需要进行一次合芯即可完成大容量电芯的装配，且无需用连接片将两个电芯的极耳连接起来，有利于简化装配工序，减少不稳定因素，提高良品率和可制造性；并且，无需进行连接片和极耳之间的焊接，在简化装配工艺的同时，还能降低焊接时的热辐射对极片性能的影响。
9.作为优选，步骤（1）中，每个所述涂覆区域的宽度均为90~250mm，所述空白区域的宽度为30~90mm。
10.作为优选，步骤（2）中，每个所述正极片和负极片的宽度为100~300mm，长度为90~250mm，所述正极极耳和负极极耳的宽度为20~40mm。
11.作为优选，步骤（2）中，所述压实的压实密度为1.5~2.6g/cm3。
12.作为优选，步骤（4）中，各复合正极片的正极极耳之间的焊接面积80~320mm2，各复合负极片的负极极耳之间的焊接面积80~320mm2。
13.作为优选，步骤（4）中，正极极耳和负极极耳与顶盖之间形成的焊印长度均为18~26mm，宽度均为0.8~1mm，条数均为2~4条。
14.作为优选，步骤（4）之后，对极组进行包膜和入壳。
15.第二方面，本发明提供了一种叠片式锂电池，采用所述装配方法制成。
16.可选地，所述叠片式锂电池为磷酸铁锂（lfp）电池、镍钴锰酸锂（ncm）电池、锰酸锂（lmo）电池、钴酸锂（lco）电池或镍钴铝酸锂（nca）电池。
17.作为优选，所述隔膜包括基膜和设于基膜的一面或两面的涂层；所述涂层的原料包括以下组分：改性陶瓷颗粒，粘结剂乳液；所述改性陶瓷颗粒为表面接枝有氨基硅烷偶联剂的陶瓷颗粒；所述粘结剂乳液的制备方法包括以下步骤：（a）将单体原料、乳化剂和水混合并乳化后，制成混合液，所述单体原料包括质量比为1：（0.05~0.15）的丙烯腈和丙烯酸缩水甘油酯；而后在惰性气体保护下，将混合液升温至60~70℃，加入引发剂溶液，所述单体原料和引发剂的质量比为1：（0.005~0.01），在60~70℃下反应40~80min，获得丙烯腈多元预聚体乳液；（b）将含c6~8的氟碳侧链的甲基丙烯酸酯、乳化剂和水混合并乳化后，在惰性气体保护下，升温至70~80℃，加入引发剂溶液，所述含c6~8的氟碳侧链的甲基丙烯酸酯和引发剂的质量比为1：（0.005~0.01），在70~80℃下反应1~1.5h，获得含氟碳侧链预聚体乳液；步
骤（a）中所述单体原料与步骤（b）中所述含c6~8的氟碳侧链的甲基丙烯酸酯的质量比为1：（0.1~0.3）；（c）将步骤（a）中获得的丙烯腈多元预聚体乳液和步骤（b）中获得的含氟碳侧链预聚体乳液混合，在惰性气体保护下，在70~80℃下反应2~3h，获得粘结剂乳液。
18.本发明采用特殊的嵌段共聚物作为粘结剂，在分散到水中和涂覆到基膜上的过程中，第一嵌段（由丙烯腈多元共聚物构成）具有较强的亲水性，构成亲水区域；第二嵌段（含c6~8的氟碳侧链）具有较强的疏水性，会通过疏水作用力缔合，形成疏水微区；改性陶瓷颗粒具有较强的亲水性，并能通过其表面的氨基与第一嵌段侧链中的环氧基反应，形成稳定的共价键，故大部分改性陶瓷颗粒分布在亲水区域中。
19.通过由第一嵌段构成的亲水区域与由第二嵌段构成的疏水微区相互配合，能够使涂层与基膜之间具有较高的结合力，同时，还能赋予隔膜较高的离子电导率，具体机制如下：在亲水区域，陶瓷颗粒和粘结剂分子链相互支撑，能够减少对基膜孔道的堵塞，并增大涂层的孔隙率，从而使隔膜具有较高的离子电导率。在疏水微区，由于陶瓷颗粒分布相对较少，因而孔隙率较低，并且，在涂覆后水蒸发的过程中，氟碳链段会向气/液界面移动，逐渐靠近基膜，使粘结剂分子链与基膜的结合位点增加，且粘结剂分子链密度增大，通过以上方式，能够使疏水微区中的粘结剂与隔膜紧密结合。而由于亲水区域与疏水微区之间共价连接，且改性陶瓷颗粒共价结合在亲水区域内，故利用疏水微区，能够提高涂层整体与隔膜之间的结合力。
20.此外，本发明先通过预聚分别合成丙烯腈多元预聚体和含氟碳侧链预聚体，再将两种预聚体聚合形成嵌段共聚物，而非将所有单体混合后直接聚合形成无规共聚物，具有以下作用：当采用无规共聚物的形式时，氟碳侧链分散在粘结剂分子链中，不利于相互缔合形成疏水微区，且易与较多的陶瓷颗粒粘结，因而会对隔膜中基膜与涂层之间的结合力造成不利影响；而当采用嵌段共聚物的形式时，有利于形成粘结剂分子链与基膜的结合位点较多、粘结剂分子链密度较大的疏水微区，从而提高涂层整体与基膜之间的结合力。并且，本发明发现，当预聚的时间过短时，会造成涂层与基膜之间的结合力减小，可能是由于难以有效促使疏水微区的形成。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）采用“高速一体两翼”制片工艺，能提高极片的模切成型效率和叠片效率，简化装配工序，实现较高的良品率和可制造性；（2）采用特殊的嵌段共聚物作为粘结剂，利用由第一嵌段构成的亲水区域与由第二嵌段构成的疏水微区相互配合，能够使涂层与基膜之间具有较高的结合力，同时，还能赋予隔膜较高的离子电导率。
附图说明
22.图1为实施例1中预制正、负极片的表面结构示意图。
23.图2为实施例1中复合正、负极片的结构示意图。
24.图3为实施例1中预装配极组的结构示意图。
25.图4为实施例1中对正、负极极耳组进行焊接的示意图。
26.图5为实施例1中对超声波焊印与顶盖之间进行焊接的示意图。
27.图6为实施例1中获得的叠片式锂电池。
28.附图标记为：空白区域1，涂覆区域2，极耳3，第一极片4，第二极片5，正极极耳组6，负极极耳组7，第一裸电芯8，第二裸电芯9,超声波焊印10，激光焊印11，顶盖12，绝缘保护膜13，铝壳14，正极柱15，负极柱16，防爆阀17。
具体实施方式
29.下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
30.总实施例一种叠片式锂电池的装配方法，包括以下步骤：（1）将正极浆料和负极浆料分别涂覆到正极集流体和负极集流体上，经烘干后，获得预制正极片和预制负极片；所述预制正极片和预制负极片上均设有未涂覆浆料的空白区域，所述空白区域的两侧分别设有涂覆有浆料的涂覆区域；（2）对预制正极片和预制负极片进行压实后，再进行模切，获得复合正极片和复合负极片；所述复合正极片包括两个正极片和一个正极极耳，所述两个正极片之间通过正极极耳相连；所述复合负极片包括两个负极片和一个负极极耳，所述两个负极片之间通过负极极耳相连；（3）将多个复合正极片、多个复合负极片和多个隔膜进行叠片，使各复合正极片的正极极耳重叠，各复合负极片的负极极耳重叠，正极极耳与负极极耳不重叠，获得预装配极组；（4）在预装配极组中，将各复合正极片的正极极耳焊接到一起，并将各复合负极片的负极极耳焊接到一起，而后将正极极耳和负极极耳焊接到顶盖上，再弯折正极极耳和负极极耳，进行合芯并固定，而后进行包膜和入壳，获得极组。
31.作为一种具体实施方式，步骤（1）中，每个所述涂覆区域的宽度均为90~250mm，所述空白区域的宽度为30~90mm；步骤（2）中，每个所述正极片和负极片的宽度为100~300mm，长度为90~250mm，所述正极极耳和负极极耳的宽度为20~40mm。
32.作为一种具体实施方式，步骤（2）中，所述压实的压实密度为1.5~2.6g/cm3。
33.作为一种具体实施方式，步骤（4）中，各复合正极片的正极极耳之间的焊接面积80~320mm2，各复合负极片的负极极耳之间的焊接面积80~320mm2。
34.作为一种具体实施方式，步骤（4）中，正极极耳和负极极耳与顶盖之间形成的焊印长度均为18~26mm，宽度均为0.8~1mm，条数均为2~4条。
35.一种采用上述装配方法制成的叠片式锂电池。
36.作为一种具体实施方式，所述隔膜包括基膜和设于基膜的一面或两面的涂层；所述涂层的原料包括以下组分：改性陶瓷颗粒，粘结剂乳液；所述改性陶瓷颗粒为表面接枝有氨基硅烷偶联剂的陶瓷颗粒；所述粘结剂乳液的制备方法包括以下步骤：（a）将质量比为1：（0.03~0.07）：（5~10）的单体原料、乳化剂和水混合并乳化后，制成混合液，所述单体原料包括质量比为1：（0.05~0.15）的丙烯腈和丙烯酸缩水甘油酯；而后在惰性气体保护下，将混合液升温至60~70℃，加入20~30wt%引发剂溶液，所述单体原料和引发剂的质量比为1：（0.005~0.01），在60~70℃下反应40~80min，获得丙烯腈多元预聚体乳液；
（b）将质量比为1：（0.04~0.07）：（5~10）的含c6~8的氟碳侧链的甲基丙烯酸酯、乳化剂和水混合并乳化后，在惰性气体保护下，升温至70~80℃，加入20~30wt%引发剂溶液，所述含c6~8的氟碳侧链的甲基丙烯酸酯和引发剂的质量比为1：（0.005~0.01），在70~80℃下反应1~1.5h，获得含氟碳侧链预聚体乳液；步骤（a）中所述单体原料与步骤（b）中所述含c6~8的氟碳侧链的甲基丙烯酸酯的质量比为1：（0.1~0.3）；（c）将步骤（a）中获得的丙烯腈多元预聚体乳液和步骤（b）中获得的含氟碳侧链预聚体乳液混合，在惰性气体保护下，在70~80℃下反应2~3h，获得粘结剂乳液。
37.实施例1通过以下步骤，制备如图6所示的叠片式锂电池：（1）匀浆：将lfp、pvdf、sp、cnt按照95.5：2.5：1.5：0.5的质量比，使用nmp作为溶剂，经搅拌、分散均匀后，进行除铁过滤，制成正极浆料；将石墨、cmc、sbr、sp按照95.5：1：2：1.5的质量比，使用去离子水作为溶剂，经搅拌、分散均匀后，进行除铁过滤，制成负极浆料。
38.（2）涂布：将正极浆料和负极浆料分别涂覆到正极集流体（12u铝箔）和负极集流体（6u铜箔）上，涂布面密度分别为320g/m2、150g/m2，烘干后获得预制正极片和预制负极片，收卷流转。
39.预制正、负极片的表面结构均如图1所示，包括未涂覆浆料的空白区域1，和设于所述空白区域的两侧的涂覆有浆料的涂覆区域2。在预制正极片中，涂覆区域的宽度（h1）为198mm，空白区域的宽度（h2）为74mm；在预制负极片中，涂覆区域的宽度（h1）为202mm，空白区域的宽度（h2）为74mm。
40.（3）压实：将预制正极片和预制负极片放卷并辊压，正极片的压实密度2.6g/cm2，负极片的压实密度1.65g/cm2。
41.（4）制片：对辊压后的预制正极片和预制负极片进行模切成型制片，获得复合正极片和复合负极片。
42.复合正、负极片的结构均如图2所示，包括一个极耳3，和通过所述极耳相连的第一极片4和第二极片5。在复合正极片中，极片的宽度（w1）为168mm，长度（l1）为198mm，极耳的宽度（l2）为32mm；在复合负极片中，极片的宽度（w1）为172mm，长度（l1）为202mm，极耳的宽度（l2）为32mm。
43.（5）叠片：按照隔膜
→
复合负极片
→
隔膜
→
复合正极片的顺序进行循环叠片，叠片台保持不动，隔膜采用“z”字形叠片工艺，共叠合复合负极片81层，复合正极片80层，最后隔膜进行收尾一圈，在电芯两侧及底部进行贴胶捆绑，获得预装配极组，使用夹持加压式流转托盘进行预装配极组的转运及物流。
44.预装配极组的结构如图3所示，包括由各复合正极片中的极耳重叠构成的正极极耳组6，由各复合负极片中的极耳重叠构成的负极极耳组7，由各复合正极片中的第一极片、各复合负极片中的第二极片和隔膜重叠构成的第一裸电芯8，以及由各复合正极片中的第
二极片、各复合负极片中的第一极片和隔膜重叠构成的第二裸电芯9。
45.（6）超声波焊接：在预装配极组中，使用楔杆式超声波焊接机，分别对正、负极极耳组进行焊接，在正、负极极耳组上分别形成一块尺寸均为30mm
×
10mm的超声波焊印10（如图4所示）。
46.（7）激光焊接：在超声波焊印与顶盖12之间进行激光焊接，使第一裸电芯和第二裸电芯分别位于顶盖的两侧。在激光焊接过程中，在正、负极极耳组上各形成三条相互平行的激光焊印11（如图5所示），三条激光焊印两两之间的间距为1mm，每条激光焊印的尺寸为28mm
×
1.2mm。
47.（8）合芯：焊接完成后，将第一裸电芯和第二裸电芯在夹具作用下左右闭合，进行合芯，并在夹持压紧状态下进行高温胶带铁角捆绑。
48.（9）电芯装配：绝缘mylar膜和绝缘垫片热熔后包裹整个第一裸电芯和第二裸电芯，形成绝缘保护膜13，将绝缘保护膜的顶部与盖板进行熔融焊接。而后装入铝壳14中，进行盖板激光焊接，安装正极柱15、负极柱16和防爆阀17。
49.（10）烘烤、注液：在105℃高温下进行电芯烘烤，烘烤完成后注入720g电解液。
50.（11）封口、分容、老化：使用密封胶钉封口后进行激光封口焊接，经过分容测试、老化后，制得叠片式锂电池。
51.本实施例中采用的隔膜通过以下步骤制得：s1：制备改性陶瓷颗粒：在带有搅拌器的反应器中，依次加入质量体积比为5g：200ml：1ml：1ml的纳米三氧化二铝、无水乙醇、硅烷偶联剂kh-550和硅烷偶联剂kh-540，控制搅拌器的转速为700rpm，在80℃下反应1h。反应完成后，进行真空抽滤，然后用乙醇洗涤两次，去除杂质，得到改性陶瓷颗粒。
52.s2：制备隔膜：s2.1：将改性陶瓷颗粒、粘结剂丙烯腈多元共聚物（la133）和去离子水按80：1.5：600的重量比混合后，超声分散2h，得到涂覆浆料；s2.2：将涂覆浆料均匀涂布到聚乙烯基膜的一面，烘干后，得到锂离子电池隔膜。
53.经测试，本实施例中隔膜的离子电导率为0.41ms/cm，涂层与基膜之间的剥离强度为77n/m。
54.实施例2本实施例与实施例1的区别仅在于，步骤s2.1中，将粘结剂丙烯腈多元共聚物（la133）换成嵌段共聚物乳液，并通过控制嵌段共聚物乳液和去离子水的添加量，控制涂覆浆料中改性陶瓷颗粒和嵌段共聚物的质量百分数分别与实施例1涂覆浆料中改性陶瓷颗粒和粘结剂的质量百分数相等。所述嵌段共聚物乳液通过以下步骤制备：（a）在带有搅拌器的反应器中，加入质量比为1：0.1：0.2：0.05：0.04：6.75的丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸甲酯、丙烯酸缩水甘油酯、十二烷基苯磺酸钠和水，混合搅拌40min，制
成混合液。将反应器中的空气置换成氮气后，升温至70℃，加入20wt%过硫酸铵溶液，控制丙烯腈和过硫酸铵的质量比为1：0.007，在70℃下搅拌反应80min，获得丙烯腈多元预聚体乳液；（b）在带有搅拌器的反应器中，加入将质量比为1：0.04：5的甲基丙烯酸十二氟庚酯、十二烷基苯磺酸钠和水，混合搅拌1h，制成混合液。将反应器中的空气置换成氮气后，升温至70℃，加入20wt%过硫酸铵溶液，控制甲基丙烯酸十二氟庚酯和过硫酸铵的质量比为1：0.005，在70℃下搅拌反应1.5h，获得含氟碳侧链预聚体乳液；（c）将丙烯腈多元预聚体乳液和含氟碳侧链预聚体乳液按照1：0.3的质量比混合，将反应器中的空气置换成氮气后，在70℃下搅拌反应3h，获得嵌段共聚物乳液。
55.经测试，本实施例中隔膜的离子电导率为1.22ms/cm，涂层与基膜之间的剥离强度为89n/m，明显大于实施例1。
56.实施例3本实施例与实施例1的区别仅在于，步骤s2.1中，将粘结剂丙烯腈多元共聚物（la133）换成嵌段共聚物乳液，并通过控制嵌段共聚物乳液和去离子水的添加量，控制涂覆浆料中改性陶瓷颗粒和嵌段共聚物的质量百分数分别与实施例1涂覆浆料中改性陶瓷颗粒和粘结剂的质量百分数相等。所述嵌段共聚物乳液通过以下步骤制备：（a）在带有搅拌器的反应器中，加入质量比为1：0.15：0.1：0.1：0.07：13的丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸甲酯、丙烯酸缩水甘油酯、十二烷基苯磺酸钠和水，混合搅拌40min，制成混合液。将反应器中的空气置换成氮气后，升温至60℃，加入25wt%过硫酸铵溶液，控制丙烯腈和过硫酸铵的质量比为1：0.01，在60℃下搅拌反应1h，获得丙烯腈多元预聚体乳液；（b）在带有搅拌器的反应器中，加入将质量比为1：0.05：10的甲基丙烯酸十三氟辛酯、十二烷基苯磺酸钠和水，混合搅拌1h，制成混合液。将反应器中的空气置换成氮气后，升温至80℃，加入25wt%过硫酸铵溶液，控制甲基丙烯酸十三氟辛酯和过硫酸铵的质量比为1：0.01，在80℃下搅拌反应1h，获得含氟碳侧链预聚体乳液；（c）将丙烯腈多元预聚体乳液和含氟碳侧链预聚体乳液按照1:0.2的质量比混合，将反应器中的空气置换成氮气后，在80℃下搅拌反应2h，获得嵌段共聚物乳液。
57.经测试，本实施例中隔膜的离子电导率为1.29ms/cm，涂层与基膜之间的剥离强度为87n/m，明显大于实施例1。对比实施例1与实施例2、3，可以看出：采用本发明的嵌段共聚物作为粘结剂，能够有效提高隔膜的离子电导率，以及基膜与涂层之间的结合力。
58.对比例1本对比例与实施例2的区别仅在于，步骤s2.1中，将嵌段共聚物乳液换成等质量的无规共聚物乳液。所述无规共聚物乳液通过以下步骤制备：在带有搅拌器的反应器中，加入质量比为1：0.1：0.2：0.05：0.3：0.052：8.25的丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸甲酯、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸十三氟辛酯、十二烷基苯磺酸钠和水，混合搅拌40min，制成混合液。将反应器中的空气置换成氮气后，升温至70℃，加入20wt%过硫酸铵溶液，控制丙烯腈和过硫酸铵的质量比为1：0.0085，在70℃下搅拌反应4.5h，获得无规共聚物乳液。
59.经测试，本对比例中隔膜的离子电导率为1.25ms/cm，涂层与基膜之间的剥离强度为79n/m，剥离强度明显小于实施例2，说明相较于无规共聚物而言，当粘结剂采用嵌段共聚
物的形式时，有利于提高涂层与基膜之间的结合力。
60.对比例2本对比例与实施例3的区别仅在于，步骤（a）中，将60℃下搅拌反应的时间由1h缩短至30min；步骤（b）中，将80℃下搅拌反应的时间由1h缩短至30min；步骤（c）中，将80℃下搅拌反应的时间由2h延长至2.5h。
61.经测试，本对比例中隔膜的离子电导率为1.30ms/cm，涂层与基膜之间的剥离强度为82n/m，剥离强度明显小于实施例3，说明当预聚的时间过短时，会对涂层与基膜之间的结合力造成不利影响。
62.本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
63.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。