提升锂电芯隔膜粘接力的设备
阅读说明：本技术 提升锂电芯隔膜粘接力的设备 (Equipment for improving bonding force of lithium cell diaphragm ) 是由 杨帆 翟艳云 张健 谢孔岩 刘芬 杨锦帅 崔亚楠 彭冲 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种提升锂电芯隔膜粘接力的设备,通过对锂电芯的其中一个极片接入电流,此时该极片相当于一个发热电阻,会自身发热,热量会迅速传递至隔膜和另一极片,由于加热位置在锂电芯内部,能快速对锂电芯进行均匀加热,而且温度调节简单可控；同时,在压板的压力作用下,隔膜上的粘结剂会与正负极片表面的粘接剂之间发生粘接,隔膜的粘接效果在锂电芯内外侧保持一致,改善了现有工艺内外部粘接力存在差异的问题。(The invention discloses equipment for improving the bonding force of a lithium battery cell diaphragm, wherein current is connected to one of the pole pieces of the lithium battery cell, the pole piece is equivalent to a heating resistor and can generate heat by itself, the heat can be rapidly transferred to the diaphragm and the other pole piece, and the lithium battery cell can be rapidly and uniformly heated due to the fact that the heating position is arranged in the lithium battery cell, and the temperature adjustment is simple and controllable; meanwhile, under the pressure action of the pressing plate, the adhesive on the diaphragm can be adhered with the adhesives on the surfaces of the positive and negative pole pieces, the adhering effect of the diaphragm is kept consistent inside and outside the lithium battery cell, and the problem that the inside and outside adhesive force is different in the prior art is solved.)
技术领域
本发明属于电池制造技术领域，具体涉及一种提升锂电芯隔膜粘接力的设备。
背景技术
目前锂离子电池(简称锂电池)日渐成为生产生活中不可或缺的组成部分，针对锂电池的研究改进也在持续，改进主要集中于快充、快放、轻量化、高密度和安全等方面。
锂电池主要由正负极片、隔膜、电解液和外壳组成，锂离子电池的隔膜主要起到阻隔正负极之间直接接触短路、同时允许电解质离子通过、与正负极粘接增加锂离子电池硬度的作用。在现有卷绕式软包锂离子电池制程过程中，隔膜与正负极之间的粘接发生在电芯注液后的化成阶段。在此阶段，会对锂离子电池进行充放电并给与热压，充放电会活化电芯，在负极表面形成SEI膜，使电池的性能更加稳定。而在热压作用下，隔膜表面的粘结剂与正负极极片表面的粘结剂发生粘接，使得电芯厚度减薄，硬度增加。
现有常规化成工艺中，热量由放着锂电池电芯(锂电芯)的加热板(或称为热压板)组件提供，加热板组件与锂电芯之间通常加入软性橡胶垫以增加电芯平整度，导致导热性差。在整个化成过程中设备需要持续加热，且锂离子电池所受到的热量由外到内依次递减，隔膜内外与正负极之间的粘接性存在差异。同时为了确保粘接效果，现有技术通常采用较高的温度和压力，而这容易造成化成中电解液副反应多，SEI膜增厚，内阻增加以及电芯移位等问题。
发明内容
本发明旨在提供一种能够有效提升锂电芯隔膜粘接力的设备。本发明采用的技术方案如下：
一种提升锂电芯隔膜粘接力的设备，所述的锂电芯包括由第一极片、隔膜、第二极片构成的卷绕体，及第一极耳和第二极耳；第一极片与第二极片极性相反，第一极片具有暴露于所述卷绕体外层的导电部；所述设备包括压板组件，压板组件具有向所述锂电芯提供相对压力的第一压板和第二压板；其特征在于，第一压板及或第二压板上设置有：用于和所述锂电芯第一极耳电连接的第一连接件及用于和所述导电部电连接的第三连接件；所述设备还包括两极分别连接第一连接件和第三连接件的加热电源。
进一步地，所述第一压板及或第二压板上设置有用于和所述第二极耳电连接的第二连接件；所述设备还包括两极分别连接第一连接件和第二连接件的Hi-pot测试电源。
具体地，所述第一压板和第二压板间设置有至少一个锂电芯放置位，对应每个锂电芯放置位，在所述第一压板及或第二压板上设置对应的所述第一连接件、第二连接件和第三连接件。
具体地，所述第三连接件为用于和所述导电部接触配合的导电触板。
具体地，所述导电触板的长度和宽度均大于所述卷绕体的长度及宽度。
具体地，所述第一连接件、第二连接件分别为用于和所述第一极耳、第二极耳接触配合的导电触点。
具体地，所述第一连接件、第二连接件及第三连接件突出于第一压板及或第二压板表面；所述第一连接件、第二连接件突出的高度高于第三连接件。
进一步地，所述设备还包括驱动第一压板和第二压板相对活动的可控压力驱动机构。
具体地，所述加热电源提供用于将连接于所述第一连接件和第三连接件之间的锂电芯电加热至70-120℃的0.5-40A的可选电流。
具体地，所述Hi-pot测试电源的测试电压为30V-200V。
本发明通过对锂电芯的其中一个极片(位于卷绕体外层的极片、例如正极极片)接入电流，此时该极片相当于一个发热电阻，根据产热功率P＝I2R，该极片会自身发热，热量会迅速传递至隔膜和另一极片，由于加热位置在锂电芯内部，能快速对锂电芯进行均匀加热，而且温度调节简单可控；同时，在压板的压力作用下，隔膜上的粘结剂会与正负极片表面的粘接剂之间发生粘接，隔膜的粘接效果在锂电芯内外侧保持一致，改善了现有工艺内外部粘接力存在差异的问题；此外，锂电芯一次被热压定型，可降低后续化成工序的所需的温度、压力以及时间，减小化成中副反应的发生，提高首效，还可以减小在后续封装时的难度，有效降低电芯的厚度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的设备的立体图。
图2为本发明实施例提供的设备的正面视图。
图3为本发明实施例提供的设备中，电加热回路及Hi-pot测试回路的示意图。
图4为本发明实施例提供的方法的主流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，为了便于说明，本申请中可能会对方位进行定义，这些方位的定义仅仅为了便于清楚地描述相对的位置关系，并不用于对装置在生产、使用、销售等过程中实际方位的限制。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本实施例提供的设备，用于对锂电芯进行热压并提升锂电芯隔膜粘接力，所述的锂电芯是指正极极片、隔膜、负极极片的卷绕体，焊接了极耳，且位于卷绕体外层的极片(本实施例以正极为例)具有暴露的导电部。
如图1所示，所述设备包括至少一组压板组件，压板组件具有向锂电芯提供相对压力的第一压板11和第二压板12。本实施例包括三组压板组件，上下层叠设置，且采用中间压板共用的结构，其中，第一压板11和第二压板12构成第一组压板组件，第二压板12和第三压板13构成第二组压板组件，第三压板13和第四压板14构成第三组压板组件。具体地，第一压板11固定设置于机台10上，第二压板12、第三压板13、第四压板14通过导柱顺序设置于第一压板11上方，第二压板12、第三压板13、第四压板14受各自的压力驱动机构(例如各自的电机及丝杆组件)驱动上下活动。
本实施例中，位于中间的第二压板12和第三压板13是上下共用的，可以理解的是，每组压板组件也可以各自具有两块压板，只要每组压板组件具有向锂电芯提供相对压力的第一作用面和第二作用面即可。
下面以第一压板11和第二压板12构成的第一组压板组件为例，说明其进一步的构造，其他组的压板组件采用相同的构造。
第一压板11和第二压板12间设置有至少一个锂电芯放置位，用于放置锂电芯，本实施例以卷绕后正极极片暴露于外层的电芯为例进行说明(卷绕后负极极片暴露于外层的电芯可以相应参考)。对应每个锂电芯放置位，在所述第一压板11上设置：用于和锂电芯正极耳电连接的第一连接件111、用于和欲热压锂电芯负极耳电连接的第二连接件112、及用于和欲热压锂电芯外层电极极片电连接的第三连接件113。第一连接件111、第二连接件112、第三连接件113彼此绝缘设置。
具体地，第三连接件113为导电触板，设置于锂电芯放置位处，或者第三连接件113即为锂电芯放置位。优选地，第三连接件113的长度和宽度均大于锂电芯卷绕体的长度及宽度，锂电芯可完全放置于第三连接件113内。第一连接件111和第二连接件112为突出于第一压板11表面的导电触点。第三连接件113也突出于第一压板11表面，但突出的高度低于第一连接件111和第二连接件112。第一连接件111、第二连接件112、第三连接件113的材质选自不锈钢、铜合金、铝合金、钛合金、镍合金、镁合金等导热导电性好的材料，且具备较好的抗氧化特性。第一压板11的材质选自橡胶、塑料、天然纤维等绝缘性好的有机或无机材料，用以支撑第一连接件111、第二连接件112、第三连接件113，并将第一连接件111、第二连接件112、第三连接件113绝缘隔离。
当然，第一连接件111、第二连接件112及外层电极极片电连接触件113也可以按类似的方式设置于第二压板12上；或者，第一连接件111、第二连接件112及第三连接件113可以按相同的方式同时设置于第一压板11和第二压板12上，结合图2所示；再或者，第一连接件111、第二连接件112设置于第一压板11上，第三连接件113设置于第二压板12上。
如图3所示，所述设备还包括加热电源21和Hi-pot(High potential高电势)测试电源22。加热电源21的两极分别通过线路连接第一连接件111和第三连接件113。Hi-pot测试电源22的两极分别通过线路连接第一连接件111和第二连接件112。当对锂电芯进行热压时，通过加热电源21为锂电芯200的正极集流体供电，将正极集流体作为加热电阻，产生热量并在第一压板11和第二压板12相对压力的作用下将电芯进行热压操作。此外，在电热压后，Hi-pot测试电源22为正、负极耳间施加高电压，以测试电芯绝缘性能。
如图4所示，本申请还提供一种提升锂电芯隔膜粘接力的方法，包括：
(1)通过压板组件对锂电芯进行挤压成型。具体地，将锂电芯放置于所述锂电芯放置位，使得锂电芯外层电极极片电连接的外层极片与压板组件上设置的电连接触件113接触，且锂电芯的正极耳、负极耳分别与压板组件上设置的第一连接件111、第二连接件112接触。其中，所述压板组件在压紧过程中的压紧速率控制在10-600mm/min，压紧压力控制为0.05-1.5Mpa。
(2)在挤压成型期间，第一连接件111和第三连接件113之间接入加热电源21，对锂电芯进行电加热。此时，由于欧姆热的产生，锂电芯温度快速上升，隔膜在热压作用下与正负极极片之间产生粘接力，并将锂电芯进行定型。具体地，所述电加热正极极片的电流为0.5A-40A，电加热正极极片的表面最高温度控制为70-120℃，电加热正极极片的时间控制为0.5min-20min。
此外，使用温度传感器监控锂电芯表面温度，当温度达到预定值时，采用反馈控制，通过调整电流大小使温度在一定范围内保持稳定，恒温阶段达到预定时间后结束通电加热。优选地，所述电加热后的锂电芯在经过热压过程之后还进行冷压，以对锂电芯进行降温和进一步固化，冷压循环水温度5-15℃，压力0.02-0.2Mpa，时间0.5-3min。
所述方法还包括：
(3)在第一连接件111和第二连接件112间接入Hi-pot测试电源22，为正、负极耳间施加高电压，进行Hi-pot耐压测试。具体地，所需电压为30V-200V，测试高电压下的漏电流与设置的判定电流相比较，用以测试锂电芯在瞬态高压下绝缘性能是否合格。
基于上文所述的设备和方法，下面列举几个实例，以说明本发明技术方案的有益效果：
实例1：采用容量为4500mAh的卷绕式锂电芯，正极采用钴酸锂，负极采用人造石墨，正极集流体为10um厚的铝箔，锂电芯的最外圈为正极的光铝箔，且表面没有绝缘性质的有机或者无机涂层。正极极耳采用铝制极耳，极耳与铝箔之间通过超声焊接的方式进行连接，测量极耳到集流体尾端的电阻为0.014Ω，负极集流体为6um厚的铜箔，锂电芯主体的长宽高规格分别为4.0mm，58.0mm，82.0mm。
将上述锂电芯每层8个放入压板组件中，设置下压压力为0.3Mpa，下压速度为120mm/min，并保证锂电芯的正、负极极耳分别与第一连接件111、第二连接件112紧密贴合。下压完成后，在正极耳与最外侧正极集流体之间接通20A的直流电源，由于正极集流体存在阻抗，在大电流通过时会迅速产热，通过热传感器监控锂电芯的表面温度，当锂电芯表面温度达到95℃后自动调节电流大小保持电芯恒温，持续加热3min；然后结束加热并在正、负极极耳之间接通50V电源测试正负极之间是否存在微小短路点。将不合格品挑出，之后将合格的电芯转入冷压设备中进行冷却，冷压压力0.1Mpa，循环水温度10℃，时间1min。结束之后，对锂电芯进行贴胶、封装、注液、陈化、化成、分容等工序。在化成工序中，电芯的化成温度为70℃，压力为0.6Mpa。
实例2：本实例与实例1不同点在于采用下压压力为0.5Mpa的下压压力。
实例3：本实例与实例1不同点在于采用下压压力为0.1Mpa的下压压力。
实例4：本实例与实例1不同点在于锂电芯热压的最高温度控制在105℃。
实例5：本实例与实例1不同点在于锂电芯热压的最高温度控制在85℃。
实例6：本实例与实例1不同点在于锂电芯热压的时间控制在0.5min。
实例7：本实例与实例1不同点在于锂电芯热压的时间控制在10min。
对比例1：本对比例采用常规工艺(热压板的方式)对锂电芯进行热压，仅进行小压力和低温度的热压处理，压力0.05Mpa，热压板温度50℃，热压时间3min给锂电芯定型；化成过程采用常规工艺，所选化成温度为88℃，压力为0.96Mpa。
从实例1-7和对比例1中分别取出3个电芯进行三点弯曲硬度测试，下压速度10mm/min，下压位移5mm；Hi-pot测试采用50V电压，从实例1-7和对比例1中分别取出20个电芯进行，测量击穿电流，若电流大于100uA，视为不通过；将电芯以0.5C/0.5C的模式进行充放电，并计算800T之后的厚度膨胀率和容量保持率。
表1为实例1-7与对比例1的锂电芯的硬度、Hi-pot测试通过率、循环厚度膨胀率和容量保持率测试结果。
由表1能够看出，采用本发明设备和方法制得的锂电芯能够明显提升电芯的硬度，降低循环膨胀率，同时提升循环保持率。此外，锂电芯拆解时，亦发现实例1比对比例1隔膜的粘接强度更优，在循环结束后隔膜仍然与正负极有很好的粘接性，整个极片粘接程度一致，而对比例在循环结束后能够发现隔膜出现了隔膜粘接强度不一致的情况，部分区域隔膜粘接力很差，这种现象可能会导致负极析锂和容量衰减。同时可以发现，提升锂电芯通电热压的温度和压力均能够提升电芯的强度和粘接力，但有可能引起极少数电芯Hi-pot(High potential高电势)测试不通过，这可能和通电热压过程中少量粉尘刺穿隔膜引起。
以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、无需经过创造性劳动即可得到的等效技术特征的替换，应当视为本发明揭露的范围。
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