一种电芯分段热压法的制作方法

1.本发明属于锂电池的电芯热压技术领域，尤其涉及一种电芯分段热压法。


背景技术：

2.二次电池如锂电池的电芯的阳极是在铜箔两面涂覆含锂无定型碳的粉体，阴极是在铝箔两面涂覆镍、锰、钴的粉体，隔膜是在聚烯烃膜一面涂覆陶瓷粒子层，再在陶瓷粒子层和聚烯烃膜另一面上涂覆聚合物粘结剂层，隔膜密布可供锂离子通过的圆形微孔，在电池电化学体系中起高阻值特殊筛网的作用。卷绕电芯采用阴极极带、阳极极带和隔膜带以阴极、隔膜、阳极、隔膜四层叠合(以隔膜带陶瓷粒子层朝向阳极)，经卷绕多叠制备成卷绕电芯的粗坯；叠片电芯采用阴极、阳极的极片和隔膜带或隔膜片以阴极、隔膜、阳极、隔膜四层叠合(以隔膜带或隔膜片陶瓷粒子层朝向阳极)，经重复叠合多叠制备成叠片电芯的粗坯。阴极、阳极的极带或极片、隔膜带或隔膜片不能太干燥以防在卷绕或叠片时折断和掉粉，电芯粗坯也是蓬松的，因而电芯粗坯空间体积较大，且未定型不便拿取；而成品电芯要求基于材料干燥的阴极、阳极的极带或极片与隔膜带或隔膜片充分接触保证电芯整体的高阻值特殊筛网性能(如电阻值介于下限3mω和上限21mω之间)，所以电芯粗坯需经烘干和适当压缩才能成为合格的成品电芯。
3.加热使水分变成水汽溢出使材料变干燥，并排出材料间的一些空气，同时使固体材料晶粒变粗大或使材料组织结构发生变化，导致晶粒间结合力减小而使固体材料屈服强度降低而变软易于变形压缩，其中聚合物粘结剂变软易于扩展和渗透。
4.工业生产上采用有热压口的热压装置一边加热一边加压使电芯粗坯边受热边受压在变干燥的同时被压缩。热压装置需配置高精度的高温高压机构保证热压质量，并需配置绝缘检测机构监控并最终检测阴、阳极间电阻值，以提前中止热压并剔出阻值不合格的电芯，从而确保成品电芯的电阻值合格。
5.热压工艺参数主要包括温度、压强、时间。热压工艺参数因电芯而异，温度主要由隔膜聚烯烃材料及其聚合物粘结剂材料的熔点及耐受极限决定；压强需满足聚合物粘结剂充分扩展和渗透浸润阴极、阳极的带或片的粉层，形成无间隙无气泡的良好结合界面，但压强受隔膜材料和阴、阳极的带或片的粉层的抗压强度局限；时间与材料的导热系数及电芯的长、宽、厚尺寸有关，需满足热透热匀的要求(如表面温差≤3℃，心部温度比表面温度低15℃)。电芯粗坯经一次热压得到电芯成品的方法称为一次热压法。
6.本发明分段热压法是将一次热压分为预热压和终热压。
7.最接近的现有技术一是，分步热压法，第一步是单元热压，以叠片电芯极片按阴极、隔膜、阳极、隔膜四层叠合(以隔膜片平摊或以隔膜带z字形折叠)制备薄电芯单元粗坯，以较低温度较低压力较短时间(85℃、0.1mpa的条件下保持10s)将薄电芯单元粗坯热压成薄电芯单元部件；第二步是整合热压，将薄电芯单元若干个再叠合以较高温度较高压力较长时间(90℃、0.3mpa的条件下保持20s)热压成成品电芯。
8.现有技术二是，分次热压法，以卷绕或叠片方式制备整体的电芯粗坯，按现有技术
一分步热压法的第一步和第二步的热压参数进行两次热压直接热压成成品电芯。
9.分步热压法和分次热压法，第一步或第一次热压起到预压合作用，实现隔膜与极片的初步结合，并使结合界面处的间隙显露，第二步或第二次热压起到补充作用，可使聚合物粘结剂充分填充预压合产生的间隙，增强结合界面的粘结效果。通过至少两次热压的方法，可针对性的提高结合界面处的粘结效果，减少卷绕电芯两圆弧侧隔膜孔因受力不均衡所导致的变形影响锂离子通行能力，又避免聚合物粘结剂熔融后向隔膜微孔渗入而堵塞隔膜，以避免粘结效果不佳或热压过度的情况发生，也有利于降低电芯内部残余应力。
10.但是，第一步或第一次热压和第二步或第二次热压未提及热压装置，未明确是在同一台热压装置一次入料连续实施还是在两台热压装置两次入料分别实施，如是在同一台热压装置一次入料连续实施，就使第一步或第一次热压占用了第二步或第二次热压要求的高造价的热压装置，造成精细化意义上的设备浪费，也不能提高热压效率。
11.特别地，现有技术所公开的压力(应为压强)太低，对电芯热压后的压缩效果不大，不适合本发明的锂电池电芯热压，且第一步或第一次热压的时间比第二步或第二次热压的时间要短，不能显著地缩短第二步或第二次热压的时间，不能显著地提高热压效率。


技术实现要素：

12.本发明的目的在于提供一种电芯分段热压法，将电池电芯一次热压分为预热压和终热压两段，采用两套热压装置两次入料分别实施两段热压，采用预热压装置进行第一段预热压，采用终热压装置进行第二段终热压，预热压装置预热压的温度较低、压力较小、时间较长，预热压电芯内部与表面温度一致性较好，使隔膜与极片结合界面处的结合间隙一致显露；终热压装置终热压的温度较高、压力较大，消除结合界面的间隙，增强粘结效果，但时间较短。分段热压后的电芯界面结合较好，可避免粘结不佳或热压过度和隔膜微孔变形，内部残余应力较小，在精细化意义上减少设备浪费，且可以两段热压同时进行，缩短热压时间，提高热压效率。
13.本发明是这样实现的，一种电芯分段热压法，将电池电芯一次热压分为预热压和终热压两段，包括以下步骤：
14.上料：电芯上料至预热压装置；
15.预热压：所述预热压装置对电芯进行所述预热压；
16.转料：所述预热压完成后，将电芯转运至终热压装置；
17.终热压：所述终热压装置对电芯进行所述终热压，同时，所述终热压装置上的短路测试单元对电芯进行短路测试；
18.下料：所述终热压完成后，电芯从所述终热压装置下料；
19.其中，所述预热压的温度比所述终热压的温度低，所述预热压的压力比所述终热压的压力小，所述预热压的时间比所述终热压的时间长。
20.进一步的，上料是，先采用上下料装置将电芯上料至转料装置，后所述转料装置调整电芯的姿态，再采用装卸装置将所述转料装置上调整好姿态的电芯转运至所述预热压装置上准备所述预热压；所述上下料装置包括多个水平间隔设置的用于抓取电芯的上下料夹爪，所述转料装置包括多个水平间隔设置的用于放置电芯的转料夹具，并可将水平间隔分布的所述转料夹具调整为竖直间隔分布的所述转料夹具，所述装卸装置包括多个竖直间隔
设置的用于装卸电芯的装卸夹爪，所述预热压装置包括多个排列在一起的预热压模组，每个预热压模组各有多个竖直间隔设置的用于预热压电芯的预热压口，所述预热压口可以张开以用于取放电芯，所述预热压口可以闭合以用于预热压电芯，每个预热压模组的多个预热压口同时张开或同时闭合。
21.进一步的，所述预热压是，所述预热压装置的一个所述预热压模组闭合所述预热压口对电芯进行所述预热压；
22.所述预热压的预热压参数为：温度85～95℃、压强1～2.5mpa、时间[0.22
×
(t
芯-t0)
×
(0.5d)]s，其中d：电芯厚度，单位是mm，t
芯
：要求的电芯中心温度，单位是℃，t0：电芯中心的初始温度，即电芯的初始温度，一般为室温，单位是℃。
[0023]
进一步的，所述转料是，所述预热压完成后，采用所述装卸装置将预热压后的电芯从所述预热压装置的所述预热压口取出再转运至所述终热压装置准备所述终热压，所述终热压装置包括多个排列在一起的终热压模组，每个终热压模组各有多个竖直间隔设置的用于终热压电芯的终热压口，所述终热压口可以张开以用于取放电芯，所述终热压口可以闭合以用于终热压电芯，每个终热压模组的多个终热压口同时张开或同时闭合。
[0024]
进一步的，所述终热压是，所述终热压装置的一个终热压模组闭合所述终热压口对预热压后的电芯进行所述终热压，同时，所述终热压装置上的短路测试单元对电芯进行短路测试；
[0025]
所述终热压的终热压参数为：温度100～110℃、压强2～5mpa、时间[0.11
×
(t
芯-t0)
×
(0.5d)]s，其中d：电芯厚度，单位是mm，t
芯
：要求的电芯中心温度，单位是℃，t0：电芯中心的初始温度，即电芯的初始温度，一般为室温，单位是℃。
[0026]
进一步的，所述下料是，所述终热压完成后，先采用所述装卸装置将终热压后的电芯下料至所述转料装置，所述转料装置将竖直间隔分布的所述转料夹具调整为水平间隔分布的所述转料夹具，再采用所述上下料装置将调整好姿态的终热压后的电芯下料。
[0027]
进一步的，所述上下料装置的所述上下料夹爪的数量、所述转料装置的所述转料夹具的数量、所述装卸装置的所述装卸夹爪的数量、所述预热压装置的每个所述预热压模组的所述预热压口的数量、所述终热压装置的每个所述终热压模组的所述终热压口的数量均相等或成整数倍，可一次上料、预热压、转料、终热压、下料相等或成整数倍数量的电芯。
[0028]
进一步的，所述上下料装置的相邻两个所述上下料夹爪的水平中心距、所述转料装置的相邻两个所述转料夹具的水平中心距、所述转料装置的相邻两个所述转料夹具的竖直中心距、所述装卸装置的相邻两个所述装卸夹爪的竖直中心距、所述预热压装置的每个所述预热压模组的所述预热压口在张开时的相邻两个所述预热压口的层间距、所述终热压装置的每个所述终热压模组的所述终热压口在张开时的相邻两个所述终热压口的层间距均一致且相等，可不经调节一次上料、预热压、转料、终热压、下料相等或成整数倍数量的电芯。
[0029]
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
[0030]
本发明的分段热压法，预热压的温度较低、压力较小、时间较长，预热压电芯内部与表面温度一致性较好，使隔膜与极片结合界面处的结合间隙一致显露；终热压的温度较高、压力较大，消除结合界面的间隙，增强粘结效果，但时间较短，分段热压后的电芯界面结合较好，可避免粘结不佳或热压过度，内部残余应力较小，在精细化意义上减少设备浪费，
且可以两段热压同时进行，缩短终热压时间，提高热压效率。
附图说明
[0031]
图1是本发明实施例提供的一种电芯分段热压法的流程图；
[0032]
图2是本发明实施例提供的分段热压法所应用的电芯分段热压设备的结构示意图；
[0033]
图3是上下料装置将电芯上料至转料装置的示意图；
[0034]
图4是转料装置将电芯调整到直立姿态后的示意图；
[0035]
图5是装卸装置从转料装置上抓取电芯的示意图；
[0036]
图6是图2所示电芯分段热压设备中的预热压装置的结构示意图；
[0037]
图7是图2所示电芯分段热压设备中的终热压装置的结构示意图。
[0038]
附图标记说明：
[0039]
100-电芯、20-上下料装置、21-上下料夹爪、30-转料装置、31-翻转梁、32-转料夹具、40-装卸装置、41-装卸夹爪、50-预热压装置、51-预热压模组、511-预热压口、60-终热压装置、61-预热压模组、611-终热压口、612-短路测试单元。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。
[0041]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0042]
请参看图1，示出了本实施例提供的一种电芯分段热压法，包括以下步骤：
[0043]
上料：电芯100上料至预热压装置50；
[0044]
预热压：预热压装置50对电芯100进行预热压；
[0045]
转料：预热压完成后，将电芯100转运至终热压装置60；
[0046]
终热压：终热压装置60对电芯进行终热压，同时，终热压装置60上的短路测试单元612对电芯进行短路测试；
[0047]
下料：终热压完成后，电芯100下料；
[0048]
其中，预热压的温度比终热压的温度低，预热压的压力比终热压的压力小，预热压的时间比终热压的时间长。
[0049]
具体的，请参看图2至图5，上料，先采用上下料装置20将电芯100上料至转料装置
30，后转料装置30调整电芯100的姿态，再采用装卸装置40将转料装置30上调整好姿态的电芯100转运至预热压装置50上准备预热压；上下料装置20包括多个水平间隔设置的用于抓取电芯的上下料夹爪21，转料装置30包括多个水平间隔设置的用于放置电芯的转料夹具32，并可将水平间隔分布的转料夹具32调整为竖直间隔分布的转料夹具32，转料装置30利用其翻转梁31，将上下料装置20上水平间隔分布的转料夹具32及其装夹的电芯100，调整为在竖直方向上间隔分布的转料夹具32及其装夹的电芯100。
[0050]
装卸装置40包括多个竖直间隔设置的用于装卸电芯的装卸夹爪41。
[0051]
请参看图6，预热压装置50包括包括5个排列在一起的预热压模组51，每个预热压模组51各有8个竖直间隔设置的用于预热压电芯的预热压口511，预热压口511可以张开以用于取放电芯100，预热压口511可以闭合以用于预热压电芯100；每个预热压模组的8个预热压口511同时张开或同时闭合。
[0052]
采用装卸装置40将转料装置30上调整好姿态的4个预热压后的电芯100转运至预热压装置50的4个预热压口511内。于本实施例中，需从转料装置30上转运两次才可将8个电芯100转到预热压装置50的8个预热压口511内。
[0053]
预热压是，预热压装置50的一个预热压模组51闭合8个预热压口对预热压后的电芯100进行预热压。
[0054]
请参看图7，终热压装置60包括4个排列在一起的终热压模组61，每个终热压模组各有4个竖直间隔设置的用于终热压电芯的终热压口611，终热压口611可以张开以用于取放电芯100，终热压口611可以闭合以用于终热压电芯100，每个终热压模组61的4个终热压口611同时张开或同时闭合。
[0055]
预热压完成后，采用装卸装置40将预热压后的电芯100从预热压模组51的预热压口511内取出再转运至终热压模组61的终热压口611内，于本实施例中，需从一个预热压模组51的8个预热压口511内转运两次才可取出8个预热压后的电芯100转运到两个终热压模组61的各4个终热压口611内。
[0056]
终热压是，终热压装置60的终热压模组61闭合终热压口611对预热压后的电芯100进行终热压，同时，终热压模组61上的短路测试单元612对电芯100进行短路测试。
[0057]
终热压完成后，采用装卸装置40将终热压后的电芯100下料至转料装置30，转料装置30将竖直间隔分布的终热压后的电芯100调整为水平间隔分布，再采用上下料装置20将调整后姿态的终热压后的电芯100下料。
[0058]
其中，上下料装置20的上下料夹爪21的数量为4个、转料装置30的转料夹具32的数量为4、装卸装置40的装卸夹爪41的数量为4个，而预热压装置50的每个预热压模组51的预热压口511的数量8个是装卸夹爪41数量的2倍，终热压装置60的每个终热压模组61的终热压口611的数量为4个，可一次上料4个电芯100、两次上料8个电芯100、一次预热压8个电芯100、一次转料4个电芯100、一次终热压4个电芯100、一次下料4个电芯100。
[0059]
进一步地，上下料装置20的相邻两个上下料夹爪21的水平中心距、转料装置30的相邻两个转料夹具32的水平中心距、转料装置30的相邻两个转料夹具32的竖直中心距、装卸装置40的相邻两个装卸夹爪41的竖直中心距、预热压装置50的每个预热压模组51的预热压口511在张开时的相邻两个预热压口511的层间距、终热压装置60的每个终热压模组61的在张开时的相邻两个终热压口611的层间距均一致且相等，可不经调节一次上料4个电芯
100、两次上料8个电芯100、一次预热压8个电芯100、一次转料4个电芯100、一次终热压4个电芯100、一次下料4个电芯100。
[0060]
进一步的，本发明通过试验摸索得到热压工艺参数值，一次热压工艺参数为：
[0061]
温度t＝100～110℃；
[0062]
压强p＝2～5mpa；
[0063]
时间t，按经验公式
①
计算：
[0064]
t＝k
×
(t
芯-t0)
×
(0.5d)...........
①
[0065]
式中：
[0066]
k：经验系数，单位是s/℃
·
mm
[0067]
d：电芯厚度，单位是mm
[0068]
t
芯
：要求的电芯中心温度，单位是℃
[0069]
t0：电芯中心的初始温度，即电芯的初始温度，一般为室温，单位是℃
[0070]
本发明发现，厚度为10～20mm的电芯，k＝0.22s/℃
·
mm，
[0071]
则时间t，按经验公式
①
可得
②
式：
[0072]
t＝0.22
×
(t
芯-t0)
×
(0.5d)...........
②
[0073]
本实施例分段热压法是将一次热压分为预热压和终热压。
[0074]
与一次热压比，终热压的温度不变、压力不变、时间减少到0.5倍，则按
②
式，终热压的时间t
终
按
③
式计算：
[0075]
t
终
＝0.11
×
(t
芯-t0)
×
(0.5d)...........
③
[0076]
终热压的热压参数为：温度100～110℃、压强2～5mpa、时间[0.11
×
(t
芯-t0)
×
0.5d]s；
[0077]
与一次热压比，预热压的温度降低15℃、压力减少到0.5倍、时间不变。
[0078]
预热压的热压参数为：温度(85～95)℃、压强(1～2.5)mpa、时间[0.22
×
(t
芯-t0)
×
0.5d]s；
[0079]
在更具体的电芯热压实施例中，蓝本电芯规格是22010015，尺寸为长l220mm、宽w100mm、厚d15mm，一次热压取温度t＝100℃，要求心部温度t
芯
＝85℃，室温t0＝25℃，取最小压强p＝2mpa，计算如下：
[0080]
电芯受压面积s＝l
×
w＝220
×
100(mm2)＝2.2
×
10-2
(m2)
[0081]
压力f＝p
×
s＝2
×
106×
2.2
×
10-2
(n)＝4.4
×
104(n)＝4400(kgf)
[0082]
时间t＝0.22
×
(t
芯-t0)
×
(0.5d)＝0.22
×
(85-25)
×
0.5
×
15＝99(s)，取整为100s。
[0083]
分段后的终热压与一次热压比，终热压的温度不变、压力不变、时间减少到0.5倍。
[0084]
终热压工艺参数为温度：100℃、压力：4400kgf、时间：50s
[0085]
分段后的预热压与一次热压比，预热压的温度低15℃、压力减少到0.5倍、时间不变
[0086]
预热压工艺参数为温度：85℃、压力：2200kgf、时间：100s
[0087]
实际应用中，一般可按经验对预热压和终热压增加压力损耗100kgf，增加保温时间10s。
[0088]
于本施例中，预热压装置50有5个预热压模组51(预留1个预热压模组51)，每个预
热压模组51有8个预热压口511，合计同时可用32个预热压口511，给预热压装置50配两个装卸装置40同时卸、装电芯100，每个预热压模组51装卸两次共8个电芯100计20s，产能为16ppm。终热压装置60有4个终热压模组61，每个终热压模组611有4个终热压口611，合计同时可用16个终热压口611，终热压装置60配1个装卸装置40卸终热压后的电芯100，节拍时间上，加上装预热压后电芯100的时间的总的装卸时间合计是10s，产能也为16ppm，预热压和终热压的产能是匹配的。
[0089]
预热压口511的总数量及每个预热压模组51的数量和预热压模组51的个数，终热压口611的总数量及每个终热压模组61的数量和终热压模组61的个数也可以调整，以满足不同的产能需求。上下料装置20、转料装置30、装卸装置40的数量及每个上下料装置20、转料装置30、装卸装置40的夹爪或夹具的数量也可以调整，以满足预热压装置50和终热压装置60的需求。
[0090]
本实施例的分段热压法，采用分段热压法热压电芯100的总热压时间虽然较长，但加热温度较均匀，可以将终热压的热压时间由100s缩短到50s，缩短了节拍时间，提高了热压(并短路测试)生产效率，因预热压装置50的温度、压力都较低，且不需要配置短路测试单元612和短路测试仪器，预热压装置50设备简单，每个预热压模组51的预热压口511的数量可以增加到8个甚至更多，预热压装置50比同产能的终热压装置60造价低，增加预热压装置50比增加终热压装置60的性价比高。
[0091]
分段热压后的电芯界面结合较好，可避免粘结不佳或热压过度，内部残余应力较小，在精细化意义上减少设备浪费，且可以两段热压同时进行，缩短热压时间，提高热压效率。
[0092]
在实际应用中，也可通过更改热压参数将本实施例的电芯分段热压法应用于其它产品的热压或冷压。
[0093]
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。