一种复合正极的制袋式叠片电芯、生产设备和制备方法与流程

1.本发明涉及动力电池制备领域，具体涉及一种复合正极的制袋式叠片电芯、生产设备和制备方法。


背景技术：

2.对于大尺寸的长电芯，z字型叠片工艺一直无法根除高速时隔离膜褶皱的情况。而热复合叠片工艺可以有效的解决此问题。因此，不少厂家开始布局热复合叠片工艺，即将极片与隔离膜在一定条件下粘合在一起。
3.由于锂离子的电化学特性，以及正极材料相对昂贵，锂离子电池的设计原则是负极包住正极。从而，热复合叠片工艺路线是目前基本是负极进行双面复合，正极按需选择性的进行单面复合或者不复合。
4.为了节约成本，现有技术中对电池材料的配方也随之改动，粘结剂的含量趋向降低，在高速情况下，这导致负极的复合效果一直不稳定，影响设备生产效率以及合格率。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合正极的制袋式叠片电芯、生产设备和制备方法，其能解决上述问题。
6.一种复合正极的制袋式叠片电芯生产设备，设备包括：
7.负极制片机构，用于将负极卷料裁切成预定尺寸的负极片料；
8.正极复合制片系统，用于将复合后的正极片材与隔离膜裁切成预定尺寸的正极复合制袋式单元片料；
9.输送机构，用于对裁切后负极片料以及正极复合制袋式单元片料分别输送至叠片工位；
10.叠片转运机构，用于将输送过来的负极片料以及正极复合制袋式单元片料，分别转运至叠片系统；
11.叠片系统，包含纠偏机构和叠片机构，用于将负极片料以及正极复合制袋式单元片料依次、交错、整齐的堆叠在一起，并堆叠至预定层数；
12.隔离膜包覆机构，用于将堆叠至预定层数的正负极堆的外层包覆一圈或多圈隔离膜，形成电芯。
13.进一步的，所述负极制片机构包括两个负极卷料的料辊、负极裁切机构和负极输送辊；两个料辊设置在输送机构的负极输送机构的上游，用一备一；负极卷料经负极输送辊传输向负极输送机构；所述负极裁切机构设置在负极输送机构入料端，用于裁切经负极输送辊输送来的负极卷料。
14.进一步的，正极复合制片系统包括正极制片机构、隔离膜制片机构、热复合机构、隔离膜封边机构和隔离膜裁切机构一；其中，双层结构的正极制片机构包括由正极料辊传输的正极上层放卷机构和正极下层放卷机构、上层裁切机构和下层裁切机构，正极制片机
构的双层结构交替输送正极卷料；其中，双层结构的隔离膜制片机构包括由隔离膜料辊传输的隔离膜上层放卷机构和隔离膜下层放卷机构，隔离膜上层放卷机构和隔离膜下层放卷机构输出的隔离膜与正极卷料来料同步传输进所述热复合机构；其中，所述热复合机构采用双辊热挤压结构，用于将覆膜的正极片材热压粘接复合；热复合机构在第一温度情况下，将覆膜的正极片材上下包覆；隔离膜的宽度大于正极片材的宽度；其中，所述隔离膜封边机构对超出正极片材的上下两层隔离膜挤压粘合完成封边制袋。封边制袋工艺在第二温度下完成。
15.进一步的，所述输送机构包括负极输送机构和正极输送机构，负极输送机构和正极输送机构分设于所述叠片转运机构的两端；在所述负极输送机构和正极输送机构上设置视觉检测单元，用于检测负极片料和正极复合制袋式单元片料的尺寸和表面缺陷。
16.进一步的，所述叠片转运机构采用单排双向或多排双向传输，用于接收负极输送机构和正极输送机构输送来的负极片料和正极复合制袋式单元片料，运往叠片系统的纠偏机构进行纠偏，并将纠偏完的负极片料和正极复合制袋式单元片料转运至叠片系统的叠片机构；所述叠片系统的叠片机构位于纠偏机构下游，用于对纠偏完的负极片料和正极复合制袋式单元片料按照负极-正极-负极
……
正极-负极顺序堆叠。
17.进一步的，所述隔离膜包覆机构位于叠片系统的叠片机构的下游，所述隔离膜包覆机构包括隔离膜包覆单元和摆动对辊单元，摆动对辊单元在水平方向往复移动；用于在叠片机构的堆叠工位铺设隔离膜并对正负极堆包覆形成电芯。
18.本发明还提供了一种复合正极的制袋式叠片电芯，制袋式叠片电芯包括按照负极-正极-负极
……
正极-负极顺序堆叠的负极片料和正极复合制袋式单元片料，以及外围包覆的隔离膜；其中，所述正极复合制袋式单元片料包括正极片材和对正极片材上下面包覆的上隔离膜片材和下隔离膜片材；所述制袋式叠片电芯通过前述的制袋式叠片电芯生产设备制备而成。
19.本发明还提供了一种复合正极的制袋式叠片电芯的制备方法，方法包括：
20.s1、片材制备，通过制袋式叠片电芯生产设备两侧的正负极制片机构将卷料均匀的裁切成预定尺寸的片料；
21.s2、片材输送及检测，裁切完的负极片料/正极复合制袋式单元片料进入负极输送机构/正极输送机构，在负极输送机构/正极输送机构上进行ccd尺寸和表面缺陷检测，检测ng的片料直接剔除，检测合格的片料继续流转至叠片工位；
22.s3、片材纠偏，当负极输送机构上布满合格的负极片料、正极输送机构上布满合格的正极复合制袋式单元片料时，叠片转运机构吸取对应工位的片料转运至纠偏机构，进行纠偏；
23.s4、铺隔离膜，隔离膜包覆机构在叠片平台上预铺设一层非切断的隔离膜；
24.s5、片材堆叠，叠片转运机构从对应纠偏机构上转运已完成纠偏的片料，将负极片料和正极复合制袋式单元片料按负极-正极-负极
……
正极-负极顺序堆叠至预铺设好的隔离膜上，直至达到预定层数；
25.s6、料堆覆膜，隔离膜包覆机构在料堆四周面上至少部分的，如至少顶面和底面上设置隔离膜；
26.s7、断膜成芯，裁断隔离膜，形成一个叠片电芯；
27.s8、重复步骤s1-s7，完成所需叠片电芯数量的制备。
28.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行前述方法的步骤。
29.本发明还提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上储存能够在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行前述方法的步骤。
30.相比现有技术，本发明的有益效果在于：可以有效解决大尺寸长电芯高速情况下隔离膜褶皱问题，提升产品合格率，降低设备采购、能源消耗、维护等成本，从而降低锂离子电池的生产成本，可在电池制造领域推广应用。
附图说明
31.图1为本发明制袋式叠片电芯生产设备的布局示意图；
32.图2为负极制片机构的示意图；
33.图3为正极复合制片系统的示意图；
34.图4为正极复合制袋式单元片料的示意图；
35.图5为隔离膜包覆机构初始位置的示意图；
36.图6为隔离膜包覆机构结束位置一进行裁切的示意图；
37.图7为电芯结构一的示意图；
38.图8为隔离膜包覆机构结束位置二进行裁切的示意图；
39.图9为电芯结构二的示意图；
40.图10为多组正负极堆同时堆叠隔离膜包覆机构初始位置示意图；
41.图11为多组正负极堆同时堆叠隔离膜包覆机构结束位置裁切示意图；
42.图12为正极复合制袋式叠片电芯的设备流程图。
43.图中，
44.1、负极制片机构；2、负极输送机构；3、负极片料；4、叠片转运机构一；5、负极纠偏机构一；6、叠片机构一；7、叠片转运机构二；8、负极纠偏机构二；9、叠片机构二；10、叠片转运机构三；11、负极纠偏机构三；12、叠片机构三；13、隔离膜包覆机构三；14、正极纠偏机构三；15、隔离膜包覆机构二；16、正极纠偏机构二；17、隔离膜包覆机构一；18、正极纠偏机构一；19、正极复合制袋式单元片料；20、正极输送机构；21、正极复合制片系统；31、负极卷料；32、负极裁切机构；33、负极输送辊；41、正极上层放卷机构；42、上层裁切机构；43、隔离膜上层放卷机构；44、热复合机构；45、正极片材；46、隔离膜封边机构；47、隔离膜裁切机构一；48、隔离膜下层放卷机构；49、下层裁切机构；50、正极下层放卷机构；51、上隔离膜片材；52、下隔离膜片材；61、隔离膜包覆单元；62、摆动对辊单元；63、隔离膜裁切机构二；70、电芯结构一；71、单圈隔离膜；80、电芯结构二；81、四周封闭的隔离膜；91、隔离膜裁切机构三。
具体实施方式
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.应当理解，本说明书中所使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模组”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
47.制袋式叠片电芯生产设备
48.一种复合正极的制袋式叠片电芯生产设备，参见图1，设备包括负极制片机构1、正极复合制片系统21、输送机构(2、20)、叠片转运机构(4/7/10)、叠片系统、和隔离膜包覆机构(17/15/13)。
49.其中，负极制片机构1，用于将负极卷料31裁切成预定尺寸的负极片料3。
50.具体的，参见图1和图2，位于设备的一侧的所述负极制片机构1包括两个负极卷料31的料辊、负极裁切机构32和负极输送辊33。两个料辊设置在输送机构的负极输送机构2的上游，用一备一；负极卷料31经负极输送辊33传输向负极输送机构2；所述负极裁切机构32设置在负极输送机构2入料端，通过恒张力控制，用于将负极输送辊33输送来的连续的负极卷料31裁切成，预定尺寸的负极片料3。
51.其中，正极复合制片系统21，用于将复合后的正极片材45与隔离膜裁切成预定尺寸的正极复合制袋式单元片料19。
52.具体的，参见图1和图3，位于设备另一侧的正极复合制片系统21包括正极制片机构、隔离膜制片机构、热复合机构44、隔离膜封边机构46和隔离膜裁切机构一47。
53.双层结构的正极制片机构包括由正极料辊传输的正极上层放卷机构41和正极下层放卷机构50、上层裁切机构42和下层裁切机构49，正极制片机构的双层结构交替输送正极卷料。
54.如图3所述的正极制片机构分上层和下层两套机构，上层裁切机构42裁切上层片料，下层裁切机构49裁切下层片料。裁切完成的正极片材45直接依次、交错的送入两层隔离膜之间。
55.两层隔离膜分别是隔离膜上层放卷机构43和隔离膜下层放卷机构48提供。两层隔离膜夹持着裁切的正极片材45汇聚于热复合机构44入口处，隔离膜的宽度大于正极片材45的宽度。继续往下游流转。
56.双层结构的隔离膜制片机构包括由隔离膜料辊传输的隔离膜上层放卷机构43和隔离膜下层放卷机构48，隔离膜上层放卷机构43和隔离膜下层放卷机构48输出的隔离膜与正极卷料来料同步传输进所述热复合机构44。
57.所述热复合机构44采用双辊热挤压结构，用于将覆膜的正极片材热压粘接复合；两层隔离膜与正极片材45经热复合机构44在第一温度情况下挤压，粘合在一起。
58.其中，所述隔离膜封边机构46对超出正极片材的上下两层隔离膜挤压粘合完成封边制袋。具体的，隔离膜封边机构46对超出正极片材45四周的上下两层隔离膜，再次进行挤压，使两层隔离膜粘合在一起，即封边制袋工艺，封边制袋工艺在第二温度下完成。
59.其中，所述隔离膜裁切机构一47设置在隔离膜封边机构46下游，用于对包覆正极片材的上下两层隔离膜进行裁切，形成预定尺寸的“2 1”复合制袋式单元片料19。
60.其中，输送机构，用于对裁切后负极片料3以及正极复合制袋式单元片料19分别输送至叠片工位。
61.具体的，参见图1，输送机构包括负极输送机构2和正极输送机构20，负极输送机构
2和正极输送机构20分设于所述叠片转运机构的两端；在所述负极输送机构2和正极输送机构20上设置视觉检测单元，用于检测负极片料3和正极复合制袋式单元片料19的尺寸和表面缺陷，同时进行数据记录，便于识别和溯源。检测合格的片料输送至叠片系统取片位，检测ng的片料直接剔除。
62.进一步的，增加正极片材15的视觉检测单元，正极复合制袋式单元片料19的正极片材45的表面缺陷在正极输送辊上检测，因为包覆了隔离膜之后，相机没法穿透隔离膜检测正极片材表面缺陷。
63.其中，叠片转运机构(4/7/10)，用于将输送过来的负极片料3以及正极复合制袋式单元片料19，分别转运至叠片系统。
64.具体的，所述叠片转运机构(4/7/10)采用单排双向或多排双向传输，用于接收负极输送机构2和正极输送机构20输送来的负极片料3和正极复合制袋式单元片料19，运往叠片系统的纠偏机构(5/18、8/16、11/14)进行纠偏，并将纠偏完的负极片料3和正极复合制袋式单元片料19转运至叠片系统的叠片机构(6/9/12)；所述叠片系统的叠片机构(6/9/12)位于纠偏机构(5/18、8/16、11/14)下游，用于对纠偏完的负极片料3和正极复合制袋式单元片料19按照负极-正极-负极
……
正极-负极顺序堆叠。
65.其中，叠片系统，包含纠偏机构和叠片机构，用于将负极片料3以及正极复合制袋式单元片料19依次、交错、整齐的堆叠在一起，并堆叠至预定层数。当叠片系统取片位布满合格片料时，叠片转运机构依次、分别、往复的将负极片料3和正极复合制袋式单元片料19转运至对应的纠偏机构处进行纠偏。图1示例中，三工位情况时，工位一的叠片转运机构一4依次、分别、往复的将负极片料3和正极复合制袋式单元片料19转运至负极纠偏机构一5和正极纠偏机构一18，进行纠偏。同样的，工位二的叠片转运机构二7和工位三的叠片转运机构三10也同步进行相同的动作，分别将对应的正负极片料转运至对应的纠偏机构上，进行纠偏。铺膜：隔离膜包覆机构(17/15/13)先在叠片平台上平铺一层隔离膜，隔离膜不切断。叠片：叠片转运机构(4/7/10)将负极片料3以及正极复合制袋式单元片料19依次、交错、整齐的堆叠在一起，并堆叠至预定层数，完成叠片。
66.其中，隔离膜包覆机构(17/15/13)，用于将堆叠至预定层数的正负极堆的外层包覆一圈或多圈隔离膜，形成电芯。
67.具体的，参见图5-图11，所述隔离膜包覆机构(17/15/13)位于叠片系统的叠片机构(6/9/12)的下游，所述隔离膜包覆机构包括隔离膜包覆单元61、摆动对辊单元62以及图未示的旋转机构。
68.其中，旋转机构采用现有的夹子 电机机构即可，需要说明的是，由于电芯的刚性低，柔性高，需要在正负极堆两端均设置一套夹子 电机机构，两端同时夹持同轴线旋转。
69.摆动对辊单元62在水平方向往复移动；用于在叠片机构(6/9/12)的堆叠工位铺设隔离膜并对正负极堆包覆形成电芯。具体的，通过摆动对辊单元62将来自隔离膜包覆单元61的隔离膜传递、摆动实现对正负极堆的铺膜和覆膜，实现正负极堆的覆膜。
70.在摆动对辊单元62下游，隔离膜包覆工位的正负极堆处设置隔离膜裁切机构二63,用于裁切包覆完结处的隔离膜，得到单个的电芯结构。
71.具体示例中，所述叠片转运机构(4/7/10)采用一组或多组，优先采用三组、即叠片转运机构一4、叠片转运机构二7和叠片转运机构三10；对应的，叠片系统的纠偏机构(5/18、
8/16、11/14)也采用三组，即，负极纠偏机构一5和正极纠偏机构一18为一组，分别设置于叠片转运机构一4一侧的两端部处；负极纠偏机构二8和正极纠偏机构二16为一组，分别设置于叠片转运机构二7一侧的两端部处；负极纠偏机构三11和正极纠偏机构三14为一组，分别设置于叠片转运机构三10一侧的两端部处；相应的叠片机构(6/9/12)包括三组，即叠片机构一6、叠片机构二9和叠片机构三12。对应的隔离膜包覆机构(17/15/13)包括隔离膜包覆机构一17、隔离膜包覆机构二15和隔离膜包覆机构三13。
72.对于最后的制袋式叠片电芯，参见图5-图11，外周隔离膜的包覆方式可以不同，每次覆膜的正负极堆也可不同。
73.单次覆膜的正负极堆数量，可以为一堆、两堆、三堆
……
，图5-图9为一次设置一堆的形式，那么用到的隔离膜裁切机构二63设置一个即可；图10和图11的为多堆的形式，相邻的正负极堆需要间隔设置，并在间隔处及最后一堆设置同等数量的裁切机构；如图11，除了隔离膜裁切机构二63，后面还要在间隔处依次设置隔离膜裁切机构三91、隔离膜裁切机构四
……
。
74.对于包覆方式，图10和图11所示的最终的制袋式叠片电芯、即电芯结构三，在顶层和底层外面设置一层隔离膜；图5-图7所示的最终的制袋式叠片电芯、即电芯结构一70，在顶层和底层外面、以及正负极堆的一个侧面设置一层隔离膜，而另一个侧面不设置，形成非封闭的单圈隔离膜71；图8和图9所示的最终的制袋式叠片电芯、即电芯结构二80，在顶层和底层外面、以及正负极堆的两个侧面设置一层隔离膜，形成四周封闭的隔离膜81，隔离膜层数可以设置单层或多层。
75.该设备可以设置单工位或多工位进行叠片生产，每个工位可堆叠单组或多组电芯，当其中一个进行叠片的工位完成当前电芯生产，进行转移时；或者其中一个叠片工位出现问题时，余下的工位仍可以进行叠片。不影响设备产出。且，每个工位每次可进行一组电芯堆叠，也可进行二组、三组、四组
……
电芯堆叠，提高生产效率；采用复合正极材料，解决因材料化学性质造成的设备高速生产时，负极材料复合效果不稳定的现象。
76.复合正极的制袋式叠片电芯
77.一种复合正极的制袋式叠片电芯，参见图1-图11，制袋式叠片电芯包括按照负极-正极-负极
……
正极-负极顺序堆叠的负极片料3和正极复合制袋式单元片料19，以及外围包覆的隔离膜；参见图4，其中，所述正极复合制袋式单元片料19包括正极片材45和对正极片材45上下面包覆的上隔离膜片材51和下隔离膜片材52；所述制袋式叠片电芯通过前述的制袋式叠片电芯生产设备制备而成。
78.所述上隔离膜片材51和下隔离膜片材52在正极片材45两侧边进行热压封边。
79.最终的制袋式叠片电芯为至少顶层和底层采用单层或多层隔离膜覆膜的电芯结构。
80.制袋式叠片电芯的制备方法
81.一种复合正极的制袋式叠片电芯的制备方法，采用前述的复合正极的制袋式叠片电芯生产设备生产制备，参见图12，方法包括：
82.s1、片材制备，通过制袋式叠片电芯生产设备两侧的正负极制片机构将卷料均匀的裁切成预定尺寸的片料。
83.通过制袋式叠片电芯生产设备两侧的负极制片机构1和正极复合制片系统21裁切
制备负极片料3和正极复合制袋式单元片料19。
84.其中，步骤s1中正极复合制袋式单元片料19的制备包括：
85.s11、同步复合进料，正极放卷机构(41/50)、隔离膜上层放卷机构43和隔离膜下层放卷机构48向热复合机构44同步的输送裁剪的正极片材、连续的上层隔离膜和下层隔离膜。
86.s12、复合热压，热复合机构44对通过上层隔离膜和下层隔离膜包覆的正极片材热挤压，实现复合。
87.s13、隔离膜封边，通过隔离膜封边机构46对超出正极片材的上下两层隔离膜挤压粘合完成封边制袋。
88.s14、隔离膜裁切，通过隔离膜裁切机构一47在相邻正极片材的间隙处对隔离膜进行裁切，裁切成预定尺寸的正极复合制袋式单元片料19。
89.s2、片材输送及检测，裁切完的负极片料3/正极复合制袋式单元片料19进入负极输送机构2/正极输送机构20，在负极输送机构2/正极输送机构20上进行ccd尺寸和表面缺陷检测，检测ng的片料直接剔除，检测合格的片料继续流转至叠片工位。
90.s3、片材纠偏，当负极输送机构2上布满合格的负极片料3、正极输送机构20上布满合格的正极复合制袋式单元片料19时，叠片转运机构(4/7/10)吸取对应工位的片料转运至纠偏机构(5/18、8/16、11/14)，进行纠偏。
91.s4、铺隔离膜，隔离膜包覆机构在叠片平台上预铺设一层非切断的隔离膜。
92.s5、片材堆叠，叠片转运机构(4/7/10)从对应纠偏机构(5/18、8/16、11/14)上转运已完成纠偏的片料，将负极片料3和正极复合制袋式单元片料19按负极-正极-负极
……
正极-负极顺序堆叠至预铺设好的隔离膜上，直至达到预定层数。
93.具体的，将负极片料3和正极复合制袋式单元片料19按先负极、再正极、再负极、再正极
……
最后负极的顺序，往叠片机构平铺的一层隔离膜上，依次、交错、整齐的进行片料堆叠。
94.s6、料堆覆膜，隔离膜包覆机构在料堆至少包覆底层和顶层负极片料3的外表面上设置隔离膜。
95.s7、断膜成芯，裁断隔离膜，形成一个叠片电芯。
96.s8、重复步骤s1-s7，完成所需叠片电芯数量的制备。
97.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。