一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺的制作方法

1.本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺。


背景技术：

2.随特斯拉4680锂电池的兴起，大功率、大电流的动力型锂电池采用无极耳结构越来越成为一种趋势，相较于传统的圆柱形电池电芯的单一极耳结构，无极耳结构能够满足大容量动力电池带来的大电流的冲击，并且可以规避单一极耳结构锂电池的一些结构性弱点。
3.在圆柱型无极耳锂电池结构中，其核心是电芯端面极片的折叠，折叠端面的连续性、平整性、致密性不仅关乎电池后续焊接工序的成败，也对锂电池的安全性起到至关重要的作用。目前行业内多采用以特斯拉工艺为代表的“间断折叠”工艺，即在极片的制作过程中对极片的一部分留白边带(即卷绕的初始部分段)进行切割，以去掉这一段的留白带，并对剩余的留白带每隔一段距离做分断切割处理以消除极片在折叠过程中因极片钢性的存在导致的折叠困难；这样在完成电芯卷绕后对电芯端面极片的折叠可以直接折压，并且电芯组件的中心孔区域因没有极片留白带的折叠覆盖得以保留。“间断折叠”工艺的问题是一方面在极片的制作过程中对极片留白边带的切割和分割处理会产生金属粉屑，产生的部分金属粉屑在静电或飞溅的作用下留在极片表面，难以清除干净，因此对电池造成潜在的安全隐患；另一方面由于极片刚性的缺失会导致折叠后极片叠层间的缝隙增加而减少极片叠层的致密性，会造成后续集流片焊接的一致性和稳定性。行业内另外一种折叠工艺为“揉压折叠”，即对电芯组件端面的极片留白带直接进行机械挤压处理，“揉压折叠”的问题是极片的折叠不是有规律的同向折叠，而是随机的杂乱折叠，并且极片容易产生强力堆叠折痕，使用过程中存在因极片断裂导致的短路风险。


技术实现要素：

4.我们在专利202310199612.7中提出一种无极耳锂电池电芯组件的双层结构及其实现方式，该专利首次采用“连续折叠”方式，即在极片的制作过程中对极片的留白边带不做任何处理，然后采用特定设计的折叠叠压装置对电芯端面进行折叠叠压，作为研究的延续，本发明对更多的问题和环节进行更为深化、具体的研究，并对其中的一些问题进行了细化和改进，提供了一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺。
5.本发明采用的工艺方案为：一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，
6.1)涂布制正极片、负极片：
7.a)在铝箔表面涂覆一定宽度的锂电池活性物质浆料，并保留一定宽度的未涂敷任何物质的留白基带，得到正极片；
8.b)在铜箔表面涂覆一定宽度的锂电池活性物质浆料，并保留一定宽度的未涂敷任何物质的留白基带，得到负极片；
9.2)卷绕；
10.将隔膜、负极片、隔膜、正极片依次叠加，正极片、负极片涂料带区间对应重叠，正极片留白带、负极片留白带朝向分处电芯两端，隔膜完全覆盖正极片涂料带、负极片涂料带及部分正极片留白带、或负极片留白带，卷绕；
11.3)折叠叠压
12.a)卷绕后的电芯固定在电芯夹具内，启动控制开关，此时，电芯以电芯纵轴为中心旋转，自动控制折压件垂直下降一定高度，折压件在步进电机的控制下由远离电芯的方向、向电芯纵轴方向水平推进，依序将做折叠叠压，折叠叠压完成后，折压件自动向上提起回到初始位置；
13.b)重复步骤a)数次，直至完成折叠要求，最终在电芯端面形成由极片留白带折叠重叠形成的导电层、超出极片涂料区域的部分隔膜折叠重叠形成的绝缘保护层相互交替叠压的电芯双层结构端面，在电芯端面的中心区域，形成一个凸起的由极片留白带叠压后构成的空心开口圆筒；
14.c)倒转电芯，重复步骤a)和步骤b)；
15.4)端面切割
16.步骤3)后的电芯以电芯纵轴为中心旋转，自动控制切割件定位于电芯端面中心区域的凸起空心开口圆筒底部位置，定位的底部位置高出电芯端面平面一定高度，控制切割件与电芯组件端面成一定的斜向角度，电芯组件旋转时空心开口圆筒柱面产生的向外离心力与切割件共同作用完成对凸出电芯组件端面平面空心开口圆筒部位的切割；
17.5)绝缘保护
18.在步骤4)后得到的电芯组件的两端，各粘帖一圈一定宽度的绝缘热塑膜。
19.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤1)中，正极片留白基带、负极片留白基带的宽度为1～4mm。
20.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤2)中，隔膜覆盖正极片留白基带、负极片留白基带的宽度为0.5～2mm。
21.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤3)中，折压件在水平方向上的推进速度根据负极片、隔膜、正极片、隔膜的厚度之和以及电芯的转速确定。
22.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤3)中，a)中，折叠叠压可以分次折叠，折压件分次折叠时的下降高度为0.2～1mm，分次折叠次数为2～6次，折叠叠压件垂直下降的累积高度小于或等于极片留白带宽度。
23.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤3)中，a)中，折叠叠压也可通过多头折压件的自动控制折叠装置完成，具体地，折叠初始，控制第一个折压件下降高度c1并开始折叠叠压，当电芯旋转一定角度后，控制第二个折压件下降高度c2并开始折叠叠压，
……
，控制第n个折压件下降高度cn并开始折叠叠压，其中∑cn≤极片留白带宽度。
24.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤4)中，切割件与电芯组件端面成一定的斜向角度，斜向角度范围是0.5～10℃。
25.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤4)中，切割件底部位置高出电芯端面平面一定高度，高度范围是0.1～0.3mm。
26.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，步骤5)中，粘帖后的绝缘热塑
膜高出电芯端面平面一定高度；电芯以电芯纵轴为中心旋转，自动控制加热件定位在电芯组件顶端棱角附近，受热后的绝缘热塑膜自动向电芯组件端面折叠，并在电芯端面和柱面交界的棱角区域包裹一层绝缘保护膜，绝缘热塑膜宽度为5～25mm；绝缘热塑膜高出电芯组件端面的高度为2～5mm。
27.按照上述的方法制备得到的圆柱形无极耳锂电池电芯，圆柱形无极耳锂电池电芯可以是负极端为无极耳结构，或正极端为无极耳结构，或正、负极两端均为无极耳结构。
28.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，所述的自动控制切割件可以是任意形状、或材质的具有切割功效的刀具。
29.上述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，控制部分包含旋转控制和折叠叠压控制，旋转控制控制电芯的旋转速度，折叠叠压控制控制折叠叠压件的下压、水平步进、抬起，折叠叠压件为自旋转或无阻尼旋转的圆柱型、球形、或圆锥形。
30.本发明工艺具有以下优点：
31.1、有别于大多数全极耳工艺，本发明工艺在制片时保留所有的极片留白带，不对其做切割处理，这样能够避免切割时产生的金属屑微粒蹦溅入极片表面而产生的电池安全隐患，同时简化制片工艺程序；本发明工艺并能保证折叠后极片叠层间的致密性，有助于后续的集流片的焊接。
32.2、本发明工艺能够生产出双层结构的电芯端面，即极片留白带导电层与隔膜绝缘层交替叠压结构。这种设计结构能够阻隔生产过程中的因折叠叠压可能产生的金属粉屑进入电芯卷芯夹层，从而消除潜在的安全隐患；折叠叠压控制从电芯外圈开始，依序折叠、叠压，同时叠压件自转的无阻尼设计能够充分保障折叠后的电芯端面的平整，并且减少折叠过程中的折压件与电芯金属箔的摩擦、进而减少折叠叠压过程中可能产生的金属粉屑。
33.3、本发明采用的分次连续折叠叠压或多次连续折叠叠压，可有效去除一次折叠叠压产生于端面的粗大纹路，因而能够保证电芯端面平整性、光滑性。
34.4、本发明工艺可以保持电芯组件中心孔不变形，同时在中心孔周边形成一圈略高于电芯端面的凸边，这些特征的形成既能规避后续制造流程中焊针对电芯的损伤，也有助于激光外焊方式的实现。
35.5、本发明工艺对电芯组件两端的包边设计，即在电芯端面和柱面交界的棱角区域包裹一层绝缘膜，可以保证电芯与电池壳接触时的绝缘保护，从而减少安全隐患。
附图说明
36.图1是圆柱形无极耳锂电池电芯极片示意图；
37.图2是圆柱形无极耳锂电池电芯展开示意图；
38.图3是圆柱形无极耳锂电池电芯折压端面示意图；
39.图4是圆柱形无极耳锂电池电芯折叠叠压控制装置示意图：
40.图5a是电芯端面切割控制装置切割时示意图：
41.图5b是电芯端面切割控制装置切割后示意图：
42.图中标记为：1-活性物质涂覆区；2-留白带；11-隔膜；20-负极片；21-负极片涂料带；22-负极片留白带；12-隔膜；30-正极片；31-正极片涂料带；32-正极片留白带；4-绝缘膜包边；5-极片留白带折叠叠压面；6-空心开口圆筒；7-电芯夹具；8-电芯；9-电芯极片留白带
与涂料带交界线；10-步控电机ⅰ；12-切割件；13-加热件；14-折压件。
具体实施方式
43.实施例1一种实现圆柱形无极耳锂电池电芯工艺
44.1、涂布制片(如图1)
45.a)在铝箔表面涂覆一定宽度的锂电池正极活性物质浆料1，并保留一定宽度的未涂敷任何物质的留白基带2，其中留白基带的宽度为1～4mm，得到正极片30。
46.b)同上工艺步骤，在铜箔表面涂覆一定宽度的锂电池负极活性物质浆料，并保留一定宽度的未涂敷任何物质的留白基带，其中留白基带的宽度为1～4mm，得到负极片20。
47.2、卷绕(如图2)
48.将隔膜11、负极片20、隔膜11、正极片30依次叠加，正极片涂料带31、负极片涂料带21区间对应重叠，正极片留白带32、负极片留白带22朝向分处电芯两端，隔膜11完全覆盖正极片涂料带31、负极片涂料带21及部分正极片留白带32、或负极片留白带22，隔膜11覆盖正极片留白带32、负极片留白带22的宽度为0.5～2mm，卷绕。
49.3、端面折叠叠压
50.a)折叠叠压控制装置如图4所示，卷绕后的电芯8固定在电芯夹具7内，启动控制开关。此时，电芯8以电芯纵轴为中心旋转，自动控制折压件14垂直下降30μm，折压件14在步进电机10的控制下由远离电芯的方向、向电芯纵轴方向水平推进，根据(负极片+隔膜+正极片+隔膜)的厚度和电芯的转速自动调节控制折压件14的水平方向上的步进速度，依序将做折叠叠压，折叠叠压完成后，折压件14自动向上提起回到初始位置。
51.折叠叠压可以分次折叠，折压件分次折叠时的下降高度为0.2～1mm，分次折叠次数为2～6次，折叠叠压件垂直下降的累积高度小于或等于极片留白带宽度。
52.端面折叠叠压机构的控制部分包含旋转控制和折叠叠压控制，旋转控制控制电芯的旋转速度，折叠叠压控制折叠叠压件的下压、水平步进、抬起，折叠叠压件为自旋转或无阻尼旋转的圆柱型、球形、或圆锥形。
53.折叠叠压也可通过多头折压件的自动控制折叠装置完成，具体地，折叠初始，控制第一个折压件下降高度c1并开始折叠叠压，当电芯旋转一定角度后，控制第二个折压件下降高度c2并开始折叠叠压，
……
，控制第n个折压件下降高度cn并开始折叠叠压，其中∑cn≤极片留白带宽度。
54.b)重复步骤a)4次，直至将突出于极片涂料带区域的留白带和隔膜11部分全部折叠叠压。最终在电芯端面形成由极片留白带折叠重叠形成的导电层、超出极片涂料区域的部分隔膜折叠重叠形成的绝缘保护层相互交替叠压的电芯双层结构端面，在电芯端面的中心区域，形成一个凸起的由极片留白带叠压后构成的空心开口圆筒。
55.c)从固定电芯夹具7中取出电芯8，倒转电芯8，并固定在电芯夹具7中，重复步骤a)和步骤b)。
56.4、端面切割
57.自动控制切割装置如附图5a所示，步骤3后的电芯8以电芯纵轴为中心旋转，自动控制切割件12定位于电芯端面中心区域的凸起空心开口圆筒6底部位置，定位的底部位置高出电芯端面平面0.5～10μm，控制切割件12与电芯组件端面成一定的斜向角度，斜向角度
范围0.5～10℃，电芯组件旋转时空心开口圆筒6柱面产生的向外离心力与切割件14共同作用完成对凸出电芯组件端面平面空心开口圆筒部位的切割。
58.切割件可以是任意形状、或材质的具有切割功效的刀具。
59.5、绝缘保护
60.在步骤4后得到的电芯组件的两端，各粘帖一圈绝缘热塑膜，绝缘热塑膜宽度5～25mm，粘帖后的绝缘热塑膜高出电芯端面平面的高度为0.5～2mm；如图5b所示，电芯8以电芯纵轴为中心旋转，自动控制加热件13定位在电芯组件顶端棱角附近，受热后的绝缘热塑膜自动向电芯组件端面折叠，并在电芯端面和柱面交界的棱角区域包裹一层绝缘保护膜。
61.从电芯夹具7内取出电芯8，倒转固定在电芯夹具7内，重复步骤4、步骤5。最终得到的电芯组件端面如图3所示。

技术特征：
1.一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：1)涂布制正极片、负极片：a)在铝箔表面涂覆一定宽度的锂电池活性物质浆料，并保留一定宽度的未涂敷任何物质的留白基带，得到正极片；b)在铜箔表面涂覆一定宽度的锂电池活性物质浆料，并保留一定宽度的未涂敷任何物质的留白基带，得到负极片；2)卷绕；将隔膜、负极片、隔膜、正极片依次叠加，正极片、负极片涂料带区间对应重叠，正极片留白带、负极片留白带朝向分处电芯两端，隔膜完全覆盖正极片涂料带、负极片涂料带及部分正极片留白带、或负极片留白带，卷绕；3)折叠叠压a)卷绕后的电芯固定在电芯夹具内，启动控制开关，此时，电芯以电芯纵轴为中心旋转，自动控制折压件垂直下降一定高度，折压件在步进电机的控制下由远离电芯的方向、向电芯纵轴方向水平推进，依序将做折叠叠压，折叠叠压完成后，折压件自动向上提起回到初始位置；b)重复步骤a)数次，直至完成折叠要求，最终在电芯端面形成由极片留白带折叠重叠形成的导电层、超出极片涂料区域的部分隔膜折叠重叠形成的绝缘保护层相互交替叠压的电芯双层结构端面，在电芯端面的中心区域，形成一个凸起的由极片留白带叠压后构成的空心开口圆筒；c)倒转电芯，重复步骤a)和步骤b)；4)端面切割步骤3)后的电芯以电芯纵轴为中心旋转，自动控制切割件定位于电芯端面中心区域的凸起空心开口圆筒底部位置，定位的底部位置高出电芯端面平面一定高度，控制切割件与电芯组件端面成一定的斜向角度，电芯组件旋转时空心开口圆筒柱面产生的向外离心力与切割件共同作用完成对凸出电芯组件端面平面空心开口圆筒部位的切割；5)绝缘保护在步骤4)后得到的电芯组件的两端，各粘帖一圈一定宽度的绝缘热塑膜。2.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤1)中，正极片留白基带、负极片留白基带的宽度为1～4mm。3.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤2)中，隔膜覆盖正极片留白基带、负极片留白基带的宽度为0.5～2mm。4.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤3)中，折压件在水平方向上的推进速度根据负极片、隔膜、正极片、隔膜的厚度之和以及电芯的转速确定。5.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤3)中，a)中，折叠叠压可以分次折叠，折压件分次折叠时的下降高度为0.2～1mm，分次折叠次数为2～6次，折叠叠压件垂直下降的累积高度小于或等于极片留白带宽度。6.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤3)中，a)中，折叠叠压也可通过多头折压件的自动控制折叠装置完成，具体地，折叠初始，控
制第一个折压件下降高度c1并开始折叠叠压，当电芯旋转一定角度后，控制第二个折压件下降高度c2并开始折叠叠压，
……
，控制第n个折压件下降高度cn并开始折叠叠压，其中∑cn≤极片留白带宽度。7.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤4)中，切割件与电芯组件端面成一定的斜向角度，斜向角度范围是0.5～10℃。8.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤4)中，切割件底部位置高出电芯端面平面一定高度，高度范围是0.1～0.3mm。9.根据权利要求1所述的一种圆柱形无极耳锂电池电芯的制造工艺，其特征在于，步骤5)中，粘帖后的绝缘热塑膜高出电芯端面平面一定高度；电芯以电芯纵轴为中心旋转，自动控制加热件定位在电芯组件顶端棱角附近，受热后的绝缘热塑膜自动向电芯组件端面折叠，并在电芯端面和柱面交界的棱角区域包裹一层绝缘保护膜，绝缘热塑膜宽度为5～25mm；绝缘热塑膜高出电芯组件端面的高度为2～5mm。10.按照权利要求1所述的方法制备得到的圆柱形无极耳锂电池电芯，其特征在于，圆柱形无极耳锂电池电芯可以是负极端为无极耳结构，或正极端为无极耳结构，或正、负极两端均为无极耳结构。

技术总结
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种圆柱形无极耳锂电池电芯的实现工艺。所述工艺包含涂布制片、卷绕、端面折叠、端面切割、绝缘保护制成等部分，采用分次(多次)连续折叠的方式可实现由极片留白带折叠重叠形成的导电层、部分隔膜折叠重叠形成的绝缘保护层相互交替叠压的电芯双层结构端面，并在电芯端面和柱面交界的棱角区域包裹一层绝缘保护膜。经多次连续折叠的电芯端面具有完好的平整性和致密性，同时保持电芯组件中心孔不变形，并在中心孔周边形成一圈略高于电芯端面的凸边，这些特征的形成对电池制造的后续焊接工艺中良率的提高、安全性的保证起到至关重要的作用。安全性的保证起到至关重要的作用。安全性的保证起到至关重要的作用。


技术研发人员：黄人杰
受保护的技术使用者：锂链星光科技（沈阳）有限责任公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/13