[发明专利]连续式方形电池叠片系统和方法

说明书

相关申请的互相引用

本申请要求2010年10月18日递交的申请序列号为61/394,284的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种连续式方形电池叠片系统和大型方形电池的快速制造方法。特别地，此系统和方法能够连续地叠放锂离子二次电池的隔膜层/正极层/隔膜层/负极层/隔膜层(S-C-S-A-S)。

背景技术

通常，锂离子电池主要用于消费性电子装置例如笔记本电脑、手机、照相机、摄影录像机和MP3播放器。用于上述装置的锂离子电池可以制成单个的电化学电池或多个串联或并联的电池，其取决于电力消耗需求。笔记本电脑的电池通常每组包括四至九个单体电池。用于这些装置的单体电池通常是小容量的（一般<2安培小时）。用于消费性电子装置的单电池通常具有卷绕式电极构造。此结构是一个狭长的夹层结构，其具有盘绕在芯轴上的正极层/隔膜层/负极层/隔膜层，从而形成“卷芯电池”整体结构。卷芯电池可以通过以下方式来加工：

(1)卷芯电池可以是紧螺旋式结构，其随后被置于圆柱形电池壳中进一步加工，例如用于笔记本电脑和电动工具中的18650和26650标准尺寸圆形电池。这里，“18”表示电池壳的直径为18mm，“65”表示电池壳的高度为65mm。“0”在此没有意义。

(2)卷芯电池可以是压缩扁平的卷绕式结构，其随后被置于塑料包装中，此时其通常被应用于手机电池、MP3播放器或类似尺寸的装置中。

卷绕设计使其适合于电极/隔膜组件的快速构造以及制造工艺的大规模自动化。通常，电极/隔膜组件可以在几秒（约2秒）内卷绕成型。单个自动化机器可以在短时间内在一个典型工序中构造出数百万的这样的电池结构。到目前为止，18650和26650型卷绕式锂离子电池已被大量生产，而取决于电池的设计和所选择的电极材料，其电化学容量常常不足4Ah。由于某些原因，在大容量电功率应用领域不适宜采用具有卷绕式设计的电池，这些原因包括保持所有卷绕的电极同轴的加工可行性以及当电池处以高倍率充电或放电时热管理问题引起的安全性。

不足4Ah容量的电池通常是基于卷绕式的构造，而大容量的电池（“大型”电池）是叠片的构造，在大型电池中，电极/隔膜组件包括隔膜/正（或负）电极/隔膜/负（或正）电极的多层交替层，根据电池的设计和规格，此叠片的排列可以多次重复（例如25至50次），以达到所预期的电池容量。

现有的大型电池叠片工艺是利用手工叠片或使用适于自动放置电极/隔膜组件的交替层的叠片机器。

手工叠片的工艺不能确保叠片过程的精确性，也不能确保叠片电池的质量。

现有的叠片设备要求每一正极层和负极层必须在分隔工序中被切割成所需的尺寸和形状。由于其薄度和在处理过程中获得静电荷的倾向，必须使用特定机器来切割或折叠隔膜材料（例如，Z折叠）。采用取-放的技术将电极层放置于它们各自的交替层上，这样单个机器装置（例如机械手）将取出单个电极层并且将其放置在电池叠片上。通常，拾取机器是通过装置和电极表面接触点上降低的气压（真空）来拾取电极。在叠片上拾取和放置电极的动作在几秒（约2到约5秒）的过程中发生。一般的25层复合电极层电池，叠片需花费约2到约5分钟来完成。因此，有必要提供一种适用于层状电池的具有改进结构的自动化制造系统，以及一种在连续式工艺过程中简化和提高组装效率的制造工艺。

发明内容

本发明的一个目的是，提供一种用以解决上述问题的连续式方形电池叠片系统和方法。此方法和系统作为整个电池制造过程的一部分，可以快速生产大型方形电池。此方法和系统提供：

切割各种尺寸和形状单个电极层的装置；

切割各种尺寸和形状隔膜层的装置；

处理薄的易于产生静电荷的隔膜层的装置；

在叠片过程中维持与定位相关的紧密度容限以及在叠片过程中保持电极层和隔膜层位置的装置；

就叠片层在叠片过程完成后和后续的完成电池构造中出现的不期望的移位或重新定位，稳定电极叠片的装置；

将电极和隔膜备存层供给切割子过程的装置，以使得与隔膜和电极表面的接触相对于现有方法减少或最小化。

为了达到上述的目的，本发明提供了一种连续式方形电池叠片系统，其包括:

(a)旋转盘系统，其中旋转盘是圆形，或等边多边形，或跑道运动场形。

(b)顺序地叠片隔膜层/正极层/隔膜层/负极层/隔膜层，以便每一层在旋转盘上被高速传送时轮流受到支撑。