二次电池电芯、二次电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种二次电池电芯、二次电池及其制备方法。


背景技术：

2.随着手机、笔记本电脑、无人机、航模、电动工具、新能源汽车、便携式储能、医疗设备等领域大量采用锂电池作为电源，锂电池产业获得了迅猛发展。为提升锂电池能量密度，现阶段大部分动力型锂电池采用叠片或卷绕工艺制作，卷绕式生产工艺因其生产速度快、连续性好、对设备要求较低、电池一致性也更容易控制等优点，成为当前最广泛使用，也是技术最成熟的锂电池主流生产工艺。
3.作为锂离子电池生产制造过程中必不可少也是尤为重要的一道工序，卷绕工艺具体方式是把激光切好后的极片，固定在卷绕针上，并随着卷绕针旋转而将正极片、负极片和膜片卷入到电池中，把极片卷成一个层层包裹的卷芯状，正常包裹方式为隔膜-负极-隔膜-正极，一般卷针为棱形、椭圆形等，但卷绕式电池在生产过程中，极片与隔膜受拉力影响会造成电芯内部应力不均一，在充放电时极片的膨胀与收缩会使内应力加剧，进而造成电芯变形，严重影响电芯的性能，这种现象在厚度、长度或宽度尺寸较大的电芯上表现尤其明显。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种二次电池电芯、二次电池及其制备方法，用于解决现有技术中的卷绕式电池在生产过程中极片与隔膜受拉力影响会造成电芯内部应力不均一，造成电芯下料后内圈极片褶皱，且在充放电时极片的膨胀与收缩会使内应力加剧，进而造成电芯变形，严重影响电芯的性能等问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种二次电池电芯的制备方法，包括步骤：
6.s1：装料，将来料模切好的极片和隔膜分别装载在对应的放卷挂轴上，并进行紧固；
7.s2：引带，将固定好的极片卷料与隔膜沿各自料线行进方向进行引带，对齐料线后，进行待卷绕状态，极片和隔膜沿各自行进的方向依次进行放卷、纠偏、张力控制、计长和切断；
8.s3：热复合，将切断的极片与隔膜进行热复合，得到复合电极，在复合过程中，极片的两面分别与隔膜的单面进行同步运动，经预复合并膜机构进行预复合处理后，进入烘箱，对极片和隔膜进行加热；然后经热复合机构进行复合，得到复合电极；
9.s4：卷绕，将得到的复合电极与第二电芯材料沿预设方向进行卷绕，到达卷绕设定长度后切断极片，制成由外到内依次排布有隔膜-负极-隔膜-正极的二次电池电芯；
10.s5：下料，将卷绕完成的二次电池电芯进行贴终止胶，然后进行下料。
11.可选地，沿极片的行进方向，依次设置有：极片放卷机构、放卷纠偏、极片放卷张力控制、极片放卷张力检测、极片行进纠偏、极片蛇形纠偏、极片计长、极片入片纠偏、极片切断机构和极片夹持入片机构，极片行进至各机构时执行相应操作。
12.可选地，沿隔膜行进方向，依次设置有隔膜放卷机构、放卷纠偏、隔膜放卷张力控制、隔膜放卷张力检测、隔膜行进纠偏、隔膜计长机构和隔膜切断机构，隔膜行进至各机构时执行相应操作。
13.可选地，在引带过程中，利用极片和隔膜的纠偏机构，对齐料线，其中，极片在极片切断位进行裁断，隔膜在行进至卷针并膜辊处利用隔膜切断机构进行裁断；极片切断方式为铡刀式冷切，隔膜为热切。
14.可选地，所述二次电池电芯的制备方法采用边复合边卷绕的方式，在上一电芯卷绕完成并对负极极片裁切后，隔膜单独继续走带，待卷绕负极极片停止走带，正极极片在复合电极过程中，同步入料进行卷绕，并入复合电极下面，完成初始包覆后继续新的卷绕行程。
15.可选地，预复合并膜机构为加热设计，温度为60-120
°
，预复合压力为0.1-0.6mpa；加热烘箱为非接触式加热，加热温度为45-120
°
；热复合机构为加热设计，温度为60-120
°
，热复合压力为0.2-1t。
16.可选地，制备的复合电极包括隔膜+负极片、隔膜+正极片、隔膜+负极片+隔膜、隔膜+正极片+隔膜中的任意一种。
17.可选地，正极极片、负极极片、隔膜为连续设置，隔膜比负极极片宽1～5mm，负极极片比正极极片宽1～5mm；热复合时，负极极片位于隔膜的中间，使得两侧隔膜完全覆盖负极极片，宽度方向上隔膜单边超出负极极片0.5～2.5mm，长度方向上隔膜超出负极极片。
18.可选地，对负极极片上下面与隔膜进行热合时，通过调整位于负极极片上下分布的隔膜转向角度，从而调整上下隔膜的张力，以减小位于负极极片上面和下面隔膜长度不同造成的应力不均，防止极片复合后在卷绕过程中造成剥离，其中，隔膜采用双张力系统控制，放卷采用大张力，张力范围为500-1000gf，卷绕采用的张力小于放卷时的张力。
19.本发明还提供一种二次电池电芯，所述二次电池电芯采用如上述任一方案中所述的制备方法制备而成，所述二次电池电芯的厚度为30-200mm，长度为500-2000mm。
20.本发明还提供一种二次电池，所述二次电池包括若干个如上述任一方案中所述的二次电池电芯。
21.如上所述，本发明的二次电池电芯、二次电池及其制备方法，具有以下有益效果：本发明将隔膜和极片预先进行热复合，并经优化的工艺流程设计，可有效解决卷绕过程中极片错位、对齐度、抽芯等不良情况，减小卷绕时电芯内层与外层张力不均匀的问题，可以将极片充电膨胀时隔膜的反作用力平均分配到极片表面，降低极片变形风险，并且可以有效防止卷芯褶皱，减小隔膜与极片、极片与极片间距，同时提高电芯安全性能。本发明提供的二次电池电芯及二次电池，性能可以得到显著提升。
附图说明
22.图1显示为本发明实施例提供的极片与隔膜的走带示意图。
23.图2显示为本发明实施例提供的极片复合成型示意图。
具体实施方式
24.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
25.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
26.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
27.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
28.动力型锂电池电芯的卷绕过程是通过卷绕设备将电池正极、负极极片以及二者之间间隔的隔膜以极小的距离卷绕在一起，这个过程是实现电池高体积能量密度的保障，高的体积能量密度能够在有限的空间内承载更多能量的电池。本发明亦是为了制备一种由外到内包括依次排布的隔膜-负极-隔膜-正极的二次电池电芯(通常为锂电池电芯)，且本发明尤其是针较厚(30-200mm)及较长(500-2000mm)的电芯制作，因为这类电芯采用传统方法制作时，存在的因电芯内部应力不均一，在充放电时极片的膨胀与收缩会使内应力加剧，进而造成电芯变形等问题尤为突出。而本发明对电芯卷绕方式及结构进行了全新设计，按步骤分别进行实现，确保电芯卷绕时极片与隔膜之间的对齐度，且减少电芯内圈褶皱风险，从而提高电池的安全性。
29.本文中所涉及的负极片包括符合工艺要求的铜箔以及位于铜箔表面的负极浆料涂层，正极极片包括符合工艺要求的铝箔及位于铝箔表面的由正极浆料形成的涂层，其中，负极极片双面均涂覆有负极浆料，正极极片双面均涂覆有正极浆料。本方案中极片指的是涂覆浆料后的箔材表面具有涂层的材质，箔材指的是未进行任何涂覆的金属箔片，电池浆料包含磷酸铁锂、三元等其他锂电池浆料。
30.本发明提供的二次电池电芯的制备方法包括先制备复合电极的步骤，之后将复合电极与其余的电芯材料，也即下文中提及的第二电芯材料进行卷绕后制成由外到内依次排布有隔膜-负极-隔膜-正极的二次电池电芯，而前期制备的复合极片包含隔膜+负极片、隔膜+正极片、隔膜+负极片+隔膜、隔膜+正极片+隔膜中的任意一种，基于制备的复合电极的具体结构不同，相应地第二电芯材料的结构也不同，例如如果制备的复合极片为隔膜+负极片的复合结构，则第二电芯材料为隔膜+正极的复合结构，且该第二电芯材料同样可以采取
制备复合极片的方法制备；如果制备的复合极片为隔膜+负极片+隔膜的复合结构，即利用两层隔膜复合一层负极片的方式，则第二电芯材料为隔膜，本实施例中优选复合极片为隔膜+负极片+隔膜的复合结构，因此接下来将主要以此为例进行说明。
31.本发明提供的二次电池电芯的具体制备过程如下：
32.步骤s1，装料，将来料模切好的极片和隔膜分别装载在对应的放卷挂轴上，并进行紧固，如图1所示的设备中，其中一个极片放卷机构挂轴装载负极极片，另一个装载正极极片；隔膜为双面涂胶涂覆方式，涂胶类型可选多种，本实施例中，涂胶层为pvdf材质；极片卷料固定方式可为机械夹紧或气动涨紧；本实施例中优选气动涨紧固定方式，可以最大程度减少对极片的损伤；
33.步骤s2，引带，将固定好的极片卷料，例如负极卷料与隔膜沿各自料线行进方向进行引带，对齐料线后，进行待卷绕状态；参考图1所示，在极片10行进方向，各机构依次设置，包含极片放卷机构11、放卷纠偏机构12、极片放卷张力控制机构13、极片放卷张力检测机构14、极片行进纠偏机构15、极片蛇形纠偏机构16、极片计长机构17、极片入片纠偏机构(未标示)、极片切断机构(未标示)、极片夹持入片机构(未标示)、热复合机构组件等，极片依次经过上述机构并执行相应操作，例如经放卷机构11放卷后，进入放卷纠偏机构12进行纠偏，之后进入极片放卷张力控制机构13进行张力控制，接下来进入极片放卷张力检测机构14进行张力检测等等，并在之后的机构中依次经历蛇形纠偏、计长(长度计算)、入片纠偏及切断等操作；
34.继续参考图1所示，在隔膜20行进方向，各机构依次设置，包含隔膜放卷机构21、放卷纠偏机构22、隔膜放卷张力控制机构23、隔膜放卷张力检测(未使图示尽量简洁，该机构及后续机构均未标示)、隔膜行进纠偏机构、隔膜计长机构、隔膜切断机构、热复合机构组件等，隔膜依次行进至上述各机构时执行相应操作，对此不做一一赘述；通过对极片和隔膜各自执行上述一系列操作，以避免极片和隔膜发生褶皱变形、错位、应力不均等不良，从而为后续工艺奠定良好的基础；
35.在引带过程中，利用负极片和隔膜的纠偏机构，对齐料线，其中负极在极片切断位进行裁断，隔膜在行进至卷针并膜辊处利用隔膜切断机构进行裁断，以确保极片被隔膜完全覆盖；
36.在较佳的示例中，极片切断方式为铡刀式冷切，隔膜为热切；
37.步骤s3，复合，将10极片与隔膜20进行热复合，得到复合电极；该过程可以参考图2所示，在复合过程中，极片10，例如负极片的两面分别与隔膜20的单面进行同步运动，经包括预复合并膜辊31的预复合并膜机构进行预复合处理后，进入加热烘箱32，对极片10和隔膜20进行加热；然后经包含复合辊33的热复合机构进行复合处理，得到复合电极34；该步骤中，预复合并膜机构可为加热或非加热设计，本方案优选加热设计，温度范围较佳地为60-120
°
，优选90，压力范围较佳地为0.1-0.6mpa，优选0.2-0.3mpa；加热烘箱可以采用多种方式进行加热，例如为超声波加热、等离子加热、红外线加热、油加热、电加热等方式中的任意一种，具体不限，但设备结构均采用非接触式，不仅可实现极片及隔膜整体加热，且可以最大程度避免加热过程中产生污染，加热烘箱的加热温度较佳地为45-120
°
，优选90
°
，具体的加热温度可以根据实际情况进行灵活设置，对此不做严格限制；热复合机构为加热设计，温度范围为60-120
°
，优选90
°
，压力范围较佳地为0.2-1t，具体的复合压力可以根据实际情况
进行灵活设置，对此不做严格限制；
38.步骤s4，卷绕，将得到的复合电极与第二电芯材料，即正极片沿预设方向，例如沿逆时针方向进行卷绕，卷绕方式较佳地为复合极片先预卷一圈，然后正极片入料，保证负极包覆正极，到达卷绕设定长度后切断极片，制成由外到内依次排布有隔膜-负极-隔膜-正极的二次电池电芯；
39.步骤s5，下料，将卷绕完成的二次电池电芯进行贴终止胶，然后进行下料，贴胶方式可横向贴胶或纵向贴胶；
40.较佳地，在本发明实施例中，正极极片、负极极片、隔膜为连续设置，隔膜比负极极片宽1～5mm，负极极片比正极极片宽1～5mm；热合时，负极极片应当位于隔膜的中间，使得两侧隔膜完全覆盖负极极片，宽度方向上隔膜单边超出负极极片0.5～2.5mm，长度方向上隔膜超出负极极片，具体按电芯制作要求进行设置。
41.较佳地，在本发明实施例中，采用边复合边卷绕的方式，在上一电芯卷绕完成并对负极极片裁切后，隔膜单独继续走带，待卷绕负极极片停止走带，正极极片在复合电极过程中，同步入料进行卷绕，并入复合电极下面，完成初始包覆继续新的卷绕行程，这有助于提高生产效率。
42.本发明实施例中，对负极极片上下面与隔膜进行热合时，通过调整位于负极极片上下分布的隔膜转向角度，从而调整上下隔膜的张力，以减小位于负极极片上面和下面隔膜长度不同造成的应力不均，防止极片复合后在卷绕过程中造成剥离，其中隔膜采用双张力系统控制，放卷采用大张力，张力范围500-1000gf，卷绕采用小张力，即小于放卷时的张力。
43.本发明实施例中，首先对负极片进行热复合，制成复合电极，极片在复合前，通过纠偏机构，将极片定位于两层隔膜之间，且与隔膜两侧居中进行走带，然后复合，此方式可有效杜绝卷绕过程中极片错位、对齐度、抽芯等不良情况，复合完成后，与正极片匹配进行卷绕，卷绕运行方向可为顺时针卷绕也可为逆时针卷绕，此方式卷绕可减少极片在卷绕过程中跑偏风险，提高电芯良率。
44.本发明中，复合方式可为连续复合及间歇复合，均为复合完成后进行卷绕，此方式可有效提高卷绕良率，降低正、负极片以及隔膜在卷芯内部打皱风险。
45.本发明还提供一种二次电池电芯，其采用如上述任一方案中所述的制备方法制备而成，故前述内容可以全文引用至此，出于简洁的目的不赘述。由于采用本发明的方法制备而成，使得本发明提供的二次电池电芯相较于现有技术，性能可以得到显著提升。
46.本发明还提供一种二次电池，其包括若干个上述任一方案中所述的二次电池电芯，当电芯为多个时，多个电芯可以为并联和/或串联。本发明提供的二次电池，相较于现有技术，其性能可以得到显著提升。
47.综上所述，本发明提供一种二次电池电芯、二次电池及其制备方法。二次电池电芯的制备方法，包括步骤：s1：装料，将来料模切好的极片和隔膜分别装载在对应的放卷挂轴上，并进行紧固；s2：引带，将固定好的极片卷料与隔膜沿各自料线行进方向进行引带，对齐料线后，进行待卷绕状态，极片和隔膜沿各自行进的方向依次进行放卷、纠偏、张力控制、计长和切断；s3：热复合，将切断的极片与隔膜进行热复合，得到复合电极，在复合过程中，极片的两面分别与隔膜的单面进行同步运动，经预复合并膜机构进行预复合处理后，进入烘
箱，对极片和隔膜进行加热；然后经热复合机构进行复合，得到复合电极；s4：卷绕，将得到的复合电极与第二电芯材料沿预设方向进行卷绕，到达卷绕设定长度后切断极片，制成由外到内依次排布有隔膜-负极-隔膜-正极的二次电池电芯；s5：下料，将卷绕完成的二次电池电芯进行贴终止胶，然后进行下料。本发明将隔膜和极片预先进行热复合，并经优化的工艺流程设计，可有效解决卷绕过程中极片错位、对齐度、抽芯等不良情况，减小卷绕时电芯内层与外层张力不均匀的问题，可以将极片充电膨胀时隔膜的反作用力平均分配到极片表面，降低极片变形风险，并且可以有效防止卷芯褶皱，减小隔膜与极片、极片与极片间距，同时提高电芯安全性能。本发明提供的二次电池电芯及二次电池，性能可以得到显著提升。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
48.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种二次电池电芯的制备方法，其特征在于，包括步骤：s1：装料，将来料模切好的极片和隔膜分别装载在对应的放卷挂轴上，并进行紧固；s2：引带，将固定好的极片卷料与隔膜沿各自料线行进方向进行引带，对齐料线后，进行待卷绕状态，极片和隔膜沿各自行进的方向依次进行放卷、纠偏、张力控制、计长和切断；s3：热复合，将切断的极片与隔膜进行热复合，得到复合电极，在复合过程中，极片的两面分别与隔膜的单面进行同步运动，经预复合并膜机构进行预复合处理后，进入烘箱，对极片和隔膜进行加热；然后经热复合机构进行复合，得到复合电极；s4：卷绕，将得到的复合电极与第二电芯材料沿预设方向进行卷绕，到达卷绕设定长度后切断极片，制成由外到内依次排布有隔膜-负极-隔膜-正极的二次电池电芯；s5：下料，将卷绕完成的二次电池电芯进行贴终止胶，然后进行下料。2.根据权利要求1所述的二次电池电芯的制备方法，其特征在于，沿极片的行进方向，依次设置有：极片放卷机构、放卷纠偏、极片放卷张力控制、极片放卷张力检测、极片行进纠偏、极片蛇形纠偏、极片计长、极片入片纠偏、极片切断机构和极片夹持入片机构，极片行进至各机构时执行相应操作；沿隔膜行进方向，依次设置有隔膜放卷机构、放卷纠偏、隔膜放卷张力控制、隔膜放卷张力检测、隔膜行进纠偏、隔膜计长机构和隔膜切断机构，隔膜行进至各机构时执行相应操作。3.根据权利要求1所述的二次电池电芯的制备方法，其特征在于，在引带过程中，利用极片和隔膜的纠偏机构，对齐料线，其中，极片在极片切断位进行裁断，隔膜在行进至卷针并膜辊处利用隔膜切断机构进行裁断；极片切断方式为铡刀式冷切，隔膜为热切。4.根据权利要求1所述的二次电池电芯的制备方法，其特征在于，所述二次电池电芯的制备方法采用边复合边卷绕的方式，在上一电芯卷绕完成并对负极极片裁切后，隔膜单独继续走带，待卷绕负极极片停止走带，正极极片在复合电极过程中，同步入料进行卷绕，并入复合电极下面，完成初始包覆后继续新的卷绕行程。5.根据权利要求1所述的二次电池电芯的制备方法，其特征在于，预复合并膜机构为加热设计，温度为60-120
°
，预复合压力为0.1-0.6mpa；加热烘箱为非接触式加热，加热温度为45-120
°
；热复合机构为加热设计，温度为60-120
°
，热复合压力为0.2-1t。6.根据权利要求1所述的二次电池电芯的制备方法，其特征在于，制备的复合电极包括隔膜+负极片、隔膜+正极片、隔膜+负极片+隔膜、隔膜+正极片+隔膜中的任意一种。7.根据权利要求1所述的二次电池电芯的制备方法，其特征在于，正极极片、负极极片、隔膜为连续设置，隔膜比负极极片宽1～5mm，负极极片比正极极片宽1～5mm；热复合时，负极极片位于隔膜的中间，使得两侧隔膜完全覆盖负极极片，宽度方向上隔膜单边超出负极极片0.5～2.5mm，长度方向上隔膜超出负极极片。8.根据权利要求1所述的二次电池电芯的制备方法，其特征在于，对负极极片上下面与隔膜进行热合时，通过调整位于负极极片上下分布的隔膜转向角度，从而调整上下隔膜的张力，以减小位于负极极片上面和下面隔膜长度不同造成的应力不均，防止极片复合后在卷绕过程中造成剥离，其中，隔膜采用双张力系统控制，放卷采用大张力，张力范围为500-1000gf，卷绕采用的张力小于放卷时的张力。9.一种二次电池电芯，其特征在于，所述二次电池电芯采用如权利要求1-8任一项所述的制备方法制备而成，所述二次电池电芯的厚度为30-200mm，长度为500-2000mm。
10.一种二次电池，其特征在于，所述二次电池包括若干个如权利要求9所述的二次电池电芯。

技术总结
本发明提供一种二次电池电芯、二次电池及其制备方法。制备方法包括步骤：S1：装料，将来料模切好的极片和隔膜分别装载在对应的放卷挂轴上，并进行紧固；S2：引带，将固定好的极片卷料与隔膜沿各自料线行进方向进行引带，对齐料线后，进行待卷绕状态，极片和隔膜沿各自行进的方向依次进行放卷、纠偏、张力控制、计长和切断；S3：热复合，将切断的极片与隔膜进行热复合，得到复合电极；S4：卷绕，将得到的复合电极与第二电芯材料沿预设方向进行卷绕，到达卷绕设定长度后切断极片，制成由外到内依次排布有隔膜-负极-隔膜-正极的二次电池电芯；S5：下料。本发明可有效解决卷绕过程中极片错位、对齐度、抽芯等不良情况，提高电芯安全性能。提高电芯安全性能。提高电芯安全性能。


技术研发人员：周中心 李利潮 张珂 李进华 陈彪 张五堂 刘朝阳
受保护的技术使用者：上海兰钧新能源科技有限公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23