用于电池堆叠和分切薄膜材料的系统及方法与流程

本公开总体上涉及用于电池堆叠的方法、系统和装置。包括用于分切薄膜材料的系统和方法，换言之，用于将来自幅材或卷的薄膜材料切割成离散件的系统和方法，其中，薄膜材料是电池制造中使用的隔膜（separator）材料。

背景技术：

1、方形电池（prismatic batteries）通过交错阴极、绝缘隔膜形式的薄膜材料和阳极的交替层而形成。为避免出现故障，阳极和相邻阴极之间不应存在电接触。因此，为了形成电池堆，隔膜材料是位于交替的阳极层和阴极层之间的层。

2、有不同方法来实现具有阳极、阴极和位于阳极与阴极之间的隔膜的电池堆。其中一种方法是在交替的阳极层与阴极层之间来回折叠隔膜，称为z型折叠。

3、在制造电池堆时，涉及许多不同的装置和方法步骤。会有益的是提高制造工艺的速度，但要实现这一点，需要在所使用的系统和方法两者的多个方面进行改进。

4、另一种方法是将隔膜材料切割成离散片材并层压它们，并且将一个片材放置在每层阳极和阴极之间。隔膜通常由非常薄且柔韧的材料制成，如果不进行层压或使其经受另一类似处理，这将使其在不对其进行变形或其他不利影响的情况下很难操纵。然而，层压工艺增加了额外步骤，从而使整个生产工艺更加复杂。

5、电池堆叠是现代电池制造中的关键工艺，涉及布置多个电池单体以形成完整的模块或电池包。电池单体可以是圆柱形的、方形的或袋形的，它们以由绝缘隔膜分隔开的交替阳极层和阴极层堆叠成层。这种堆叠工艺旨在提高电池系统的能量密度和功率容量，从而使其成为诸如电动车辆、电网储能和便携式电子产品的应用中的关键技术。堆叠工艺必须确保一致对准和最小间距，以避免因短路或热事件而导致的性能损失或安全风险。

6、在堆叠工艺中，通常使用自动化系统来操纵电极和隔膜的精确放置。电池堆叠制造中的关键挑战是在确保每层的精确对准的同时保持高产量。这对于高性能电池（例如，采用锂离子化学的电池）尤为重要，其中，甚至轻微的未对准也会影响电池的电化学性能和循环寿命。自动化和机器人学的创新，例如激光对准和机器视觉系统，正被越来越多地用于提高堆叠工艺的精度和速度。这不仅提高了生产效率，而且还显著降低了大批量电池制造的成本，从而为该行业的未来描绘了一幅乐观的前景。

7、电池堆叠制造中的另一个必要考虑是有效质量控制的需要。随着电池变得能量密度更高并且被应用于诸如电动车辆的安全关键应用，必须实时监测堆叠工艺的质量和一致性。如x射线检查和阻抗谱学分析的技术检测诸如未对准单体或外来颗粒的缺陷，所述缺陷可能导致性能下降或安全问题。随着对更高容量电池的需求持续增长，自动化技术、材料操纵技术和缺陷检测技术的进一步发展对于扩大电池堆叠制造规模、同时保持严格的安全和性能标准至关重要。

8、z型折叠电池虽然通过竖直堆叠单体成层来提供更高的能量密度，但是也存在若干局限性和挑战。其中一个主要问题是难以确保多层间的精确对准，因为任何未对准都可能会导致压力分布不均，从而对电极和隔膜造成机械应力。这可能会导致性能退化、内部短路、或极端情况下甚至会引发热失控。因为z型折叠需要在层压期间不断地左右偏移隔膜幅材以翻折到下一层，所以目视检查堆的精度并且最小化多余的电极和隔膜材料以防止上述机械问题实施起来困难又昂贵。由于每个制造的堆浪费大量材料，因此导致制造成本较高。

9、另一个挑战是散热；在单体紧密堆叠在一起的情况下，热量会在电池包内积聚，从而增加过热和缩短电池的整体寿命的风险。另外，自动化堆叠工艺的复杂性，特别是对于如锂离子电池中的隔膜的薄且柔韧的部件而言，如果控制不仔细，可能会导致制造缺陷。这些局限性凸显了对先进制造技术和严格的质量控制措施以确保z型堆叠电池在诸如电动车辆和储能系统的高要求应用中的安全性和可靠性的需要。

10、会有益的是能够实现电池生产中的隔膜材料的更好操纵。因此，通常当涉及到电池制造时，特别是当涉及到隔膜材料的操纵时，存在改进的需要。

11、因此，当今电池堆叠系统中所缺乏的是一种包含更先进对准技术和实时质量控制方法的电池堆叠系统和方法，所述技术和方法可以确保比传统z型折叠系统更高的精度并且大规模地减少制造缺陷。会有益的是能够提高制造工艺的速度，但为了实现这一点，需要在使用的系统和方法两者的多个不同方面进行改进。

技术实现思路

1、提供本 技术实现要素： 是为了以简化形式介绍在本公开的详细描述中进一步描述的构思选择。本发明内容并非意图识别所要求保护的主题的关键或必要发明构思，也并非意图确定所要求保护的主题的范围。

2、本公开旨在提供用于电池堆叠的改进系统和方法，尤其是用于制造包括阳极层、阴极层和隔膜材料层的方形电池的改进系统和方法。一个目的是提供比当前可用的系统和方法更快的系统和方法。

3、本发明的目的是解决上述问题和议题中的至少一些。本发明的实施例的目的是提供一种用于分切薄膜材料的装置，尤其是用于分切电池制造中使用的隔膜材料的装置。

4、本发明的实施例的目的是提供一种缓冲装置，用于以恒定速度接收薄膜材料并且以可变速度输出该薄膜材料。在一些实施例中，输出是在包括先快速加速、后快速减速和完全停止的运动中完成的。另一个目的是实现高速制造，例如高速电池制造。

5、本公开的第一方面总体上涉及一种用于在电池堆中堆叠分切的电极的系统。该系统包括：第一分切装置，所述第一分切装置具有至少三个面、切割装置和第一缓冲装置，其中，所述第一分切装置配置成从薄膜材料分切出电极；第二分切装置，所述第二分切装置具有至少三个面、切割装置和第二缓冲装置，其中，所述第一分切装置配置成从薄膜材料分切出电极；第三分切装置，所述第三分切装置具有至少三个面、切割装置和第三缓冲装置，其中，所述第一分切装置配置成从薄膜材料分切出电极；第一进给传送器，其中，所述第一进给传送器配置成将分切的电极从第一分切装置输送到第一巢；第二进给传送器，其中，所述第二进给传送器配置成将分切的电极从第二分切装置输送到第二巢；第三进给传送器，其中，所述第三进给传送器配置成将分切的隔膜片材从第三分切装置输送至第三巢；输送装置，所述输送装置具有至少一个真空辅助的抓持靴，其中，输送装置配置成使用所述至少一个真空辅助的抓持靴将来自相应的第一进给传送器、第二进给传送器和第三进给传送器中的每个的第一巢、第二巢和第三巢的阳极、阴极和隔膜转移到拾取装置；其中，所述拾取装置进一步配置成使用联接至该拾取装置的至少三个抓持靴中的一个从所述输送装置的所述至少一个真空辅助的抓持靴拾取阳极、阴极和隔膜；至少一个电池堆叠站，所述电池堆叠站适于接收至少一个分切的阳极、至少一个分切的阴极和至少一个分切的隔膜材料；其中，所述至少一个电池堆叠站适于定位在电池堆叠位置和电池移除位置；以及移除装置，所述移除装置适于在电池堆叠站处于电池移除位置时从所述至少一个电池堆叠站移除电池堆。

6、在一些实施例中，输送装置适于将阳极和阴极交替转移至旋转拾取装置。

7、在一些实施例中，输送装置具有其中所述输送装置同时抓持阳极和释放阴极的一个位置以及其中所述输送装置同时抓持阴极和释放阳极的一个位置。

8、在一些实施例中，该系统还包括质量检查装置，所述质量检查装置适于在阴极、隔膜和阳极被转移到第一、第二和第三巢之前对所述阴极、所述隔膜和所述阳极进行检查。

9、在一些实施例中，该系统还包括质量检查装置，所述质量检查装置适于在阴极、隔膜和阳极被转移到拾取装置之前对所述阴极、所述隔膜和所述阳极进行检查。

10、在一些实施例中，第一、第二和第三巢中的每个均进一步包括对准装置，所述对准装置配置成对准电极和隔膜。

11、在一些实施例中，输送装置包括对准装置，所述对准装置配置成对准电极和隔膜。

12、在一些实施例中，第一、第二和第三巢中的每个均进一步包括空气轴承，电极定位在所述空气轴承上。

13、在一些实施例中，该系统还包括第二电池堆叠站。

14、在一些实施例中，第一电池堆叠站和第二电池堆叠站进一步包括真空源，所述真空源流体地联接到第一电池堆叠站和第二电池堆叠站，其中，所述真空源适于对电池堆施加环绕电池堆的吸力。

15、在一些实施例中，每个电池堆叠站均定位在机械输送装置上，并且由此适于沿着至少两个彼此垂直的轴线移动。

16、在一些实施例中，每个电池堆叠站均包括可移动的侧壁。

17、在一些实施例中，第一、第二和第三缓冲装置适于以分度运动的方式输出预定长度的薄膜材料，所述分度运动包括先快速加速、后快速减速。

18、在一些实施例中，第一、第二和第三缓冲装置进一步包括吸板，所述吸板包括真空源，所述真空源适于将薄膜材料拉向吸板。

19、在一些实施例中，第一、第二和第三缓冲装置进一步包括用于确定薄膜材料的位置的测量装置。

20、在一些实施例中，第一、第二和第三分切装置提供分度运动，所述分度运动包括薄膜材料的完全停止，并且在停止期间切割薄膜材料。

21、在一些实施例中，第一、第二和第三分切装置，其中，使用抽吸将薄膜材料附着在第一、第二和第三分切装置的所述至少三个面上。

22、在一些实施例中，第一、第二和第三分切装置配置成对所述至少三个面中的每个面施加不同大小的抽吸。

23、在一些实施例中，第一、第二和第三分切装置的切割装置是刀片。

24、本公开的另一个方面总体上涉及一种用于在电池堆叠系统中转移电极的系统。该系统包括用于转移阳极的第一输送装置和用于转移阴极的第二输送装置、用于接收阳极的第一巢和用于接收阴极的第二巢、以及抓持装置，所述抓持装置适于将阳极和阴极从相应的巢交替转移到系统中的后续站。

25、根据另一个方面，提供一种用于将电极转移到电池堆的系统。该系统包括：拾取装置，所述拾取装置包括适于借助真空将电极附着到其表面的表面，其中，该表面具有多个可以单独控制的真空区域；以及每个真空区域一个处理装置，其中，每个处理装置均适于跟踪其相应的真空区域。该系统还包括与拾取装置相关联的计算装置，所述计算装置适于监测每个真空区域的位置并且将所述位置传输至处理装置。当真空区域已经达到预定位置时，处理装置适于关掉其相应的真空区域。

26、根据另一个方面，提供一种用于电池堆叠的系统。该系统包括：第一电池堆叠站，所述第一电池堆叠站适于接收阳极、阴极和隔膜材料；以及第二电池堆叠站，所述第二电池堆叠站适于接收阳极、阴极和隔膜材料。电池堆叠站中的每个均适于定位在电池堆叠位置和电池移除位置。该系统还包括移除装置，所述移除装置适于在电池堆处于电池移除位置时将所述电池堆从电池堆叠站移除。

27、根据另一个方面，提供一种用于电池堆叠和移除的方法。该方法包括：在处于堆叠位置的第一电池堆叠站上堆叠阳极、阴极和隔膜材料，直至已经制成第一电池堆；和将第一电池堆叠站移动到移除位置；和将第二电池堆叠站移动到堆叠位置。该方法还包括：在第二电池堆叠站上堆叠阳极、阴极和隔膜材料，直至已经制成第二电池堆，并且第一电池堆从第一电池堆叠站移除。

28、根据一个方面，提供一种用于将薄膜材料切割成件的分切装置。该装置包括主体，所述主体包括至少两个基本上平坦的面，用于接收薄膜材料，其中，每个面均适于将薄膜材料附着到该面上，其中，该主体适于围绕轴线旋转。分切装置还包括切割装置，所述切割装置包括切割刃，所述切割刃适于在薄膜材料附着到该主体的所述至少两个面之一时对其进行切割。主体适于以包括先加速、后减速的分度运动的方式旋转，切割装置适于在分度运动期间切割薄膜材料。

29、根据另一个方面，提供一种用于将薄膜分离和切割成件的系统。该系统包括根据第一方面的分切装置以及用于将薄膜材料转移至该分切装置的缓冲装置，其中，缓冲装置适于以恒定速度接收薄膜材料并且以可变速度将其输出至分切装置。

30、根据另一个方面，提供一种将薄膜材料切割成件的方法。该方法包括将薄膜材料转移至分切装置的面，所述分切装置包括具有用于接收薄膜材料的至少两个基本上平坦的面的主体，其中，每个面均适于将薄膜材料附着到该面上，其中，该主体适于围绕轴线旋转。该方法还包括使主体以包括先加速、后减速的分度运动的方式旋转，从而将薄膜材料从第一位置转移至第二位置。该方法还包括在薄膜材料附着于主体的所述至少两个面中的一个面时对该薄膜材料进行切割。

31、根据一个方面，提供一种缓冲装置，所述缓冲装置适于以恒定速度接收薄膜材料并且以可变速度输出薄膜材料。该缓冲装置包括第一输送部分，所述第一输送部分适于以恒定速度输送薄膜材料，适于以恒定速度接收薄膜材料。缓冲装置还包括第二输送部分，所述第二输送部分适于以可变速度输送和输出薄膜材料，其中，该可变速度具有高于恒定速度的最大速度和低于恒定速度的最小速度。缓冲装置还包括位于第一输送部分与第二输送部分之间的缓冲部分，用于容置薄膜材料。

32、根据另一个方面，提供一种用于转移薄膜材料的系统。该系统包括如在此公开的缓冲装置和以恒定速度提供薄膜材料的薄膜分配装置。该系统还包括薄膜提取装置，所述薄膜提取装置适于以可变速度从缓冲装置提取薄膜材料。

33、根据另一个方面，提供一种用于将薄膜材料从以恒定速度提供薄膜材料的薄膜分配装置转移到以可变速度提取薄膜材料的薄膜提取装置的方法。该方法包括以恒定速度将薄膜材料进给到缓冲装置以及在缓冲装置处接收薄膜材料。该方法还包括将薄膜材料提供给缓冲装置的缓冲部分，直至缓冲部分处的薄膜材料的量至少达到一次薄膜提取操作所需的量。该方法还包括在薄膜提取操作中从缓冲装置提取一定量的薄膜材料，使得从缓冲部分提取的薄膜材料的量等于薄膜提取装置在一次提取操作中提取的薄膜的量，从而减少缓冲部分中的薄膜材料的量，所述薄膜提取操作包括先加速、后减速。

34、在一实施例中，电池堆叠系统包括旋转转移装置，所述旋转转移装置适于将阳极和阴极交替地转移到旋转拾取棱柱。

35、在一实施例中，电池堆叠系统包括质量检查装置，所述质量检查装置适于在阴极、隔膜和阳极被转移到旋转转移装置之前对所述阴极、所述隔膜和所述阳极进行检查。

36、在一实施例中，电池堆叠系统包括质量检查装置，所述质量检查装置适于在阴极、隔膜和阳极被转移到旋转拾取棱柱之前对所述阴极、所述隔膜和所述阳极进行检查。

37、在一实施例中，电池堆叠系统在第一、第二和第三进给传送器中的每个上均包括对准装置，在电极和隔膜位于传送器上时，所述对准装置配置成对所述电极和所述隔膜进行对准。

38、在一实施例中，电池堆叠系统在旋转转移装置中的每个上均包括对准装置，在电极和隔膜连续运动并且被转移到旋转拾取棱柱时，所述对准装置配置成对所述电极和所述隔膜进行对准。

39、本公开涉及一种电池制造装置，所述电池制造装置能够通过接续控制多个参数、使用连续分切层压工艺来形成电池堆，所述多个参数包括上述新颖性特征，例如（但不限于）在各种实施例中，阳极片材和阴极片材的对准、进给传送器的输出速度以及施加于电池材料的压力。该电池制造装置包括各种传感器，包括但不限于压力传感器、对准传感器、张力传感器、温度传感器、振动传感器和相机，以确保精确的堆叠和质量控制。