用於製造果凍卷型電極組件的心軸的製作方法
2023-06-26 15:07:31
用於製造果凍卷型電極組件的心軸的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種心軸，所述心軸在由包括陽極/隔板/陰極結構的長片型層壓件製造果凍卷型電極組件的卷繞過程期間使用。心軸的特徵在於，心軸的相對於中心旋轉軸線的垂直橫截面的形狀是橢圓形的；長軸的長度是短軸的至少1.5倍；並且在相對於中心旋轉軸線的垂直橫截面的形狀中，心軸的表面的坡度從短軸的端部到長軸的端部形成橢圓形結構使得，當在被插入到心軸的中心截面之後卷繞片型層壓的端部時在以固定的速度旋轉心軸期間減小從長軸的端部施加到片型層壓的卷繞應力。
【專利說明】用於製造果凍卷型電極組件的心軸
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種被用於製造果凍卷型電極組件的心軸，並且，更加特別地，涉及ー種心軸，該心軸被構造成在用於使用陰極/隔板/陽極結構的長片型堆疊體來製造果凍卷型電極組件的纏繞過程中使用，其中在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸是橢圓的，心軸的長軸與短軸的長度比是1.5或者更大，並且在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸的外側的傾斜度從心軸的短軸的端部到心軸的長軸的端部連續地改變,使得心軸被構造成具有橢圓形結構，以便減小當片型堆疊體在其端部被配合在心軸的中心區域中的狀態下被纏繞在心軸上時、在心軸的恆速旋轉期間從心軸的長軸的端部施加到片型堆疊體的纏繞應力。
【背景技術】
[0002]隨著移動裝置已經被日益發展，並且對於這樣的移動終端裝置的需求，對於作為這樣的移動裝置的能源的二次電池的需求也已經被急劇地增加。在這樣的二次電池是具有高能量密度和高放電電壓的二次鋰電池當中，已經執行許多研究並且現在被商用並且被廣泛地使用。
[0003]取決於電池殼體的形狀，二次電池可以被分類成具有被安置在柱狀金屬容器中的電極組件的柱狀電池、具有被安裝在稜柱金屬容器中的電極組件的稜柱電池、或者具有被安裝在由鋁層壓片形成的袋狀殼體中的電極組件的袋狀電池。
[0004]而且，被安裝在電池殼體中的電極組件是電カ產生元件，其具有陰/隔板/陽極堆結構，其能夠被充電和放電。電極組件可以被分類成:果凍卷型電極組件，該果凍卷型電極組件被構造成具有如下結構，其中，施加活性材料的長片型陰極和長片型陽極在隔板被布置在陰極和陽極的狀態下被纏繞；堆疊型電極組件，該堆疊型電極組件被構造成具有如下結構，其中，具有預定尺寸的多個陰極和具有預定尺寸的多個陽極在隔板分別被布置在陰極之間和陽極之間的狀態下被順次地堆疊；或者堆疊/摺疊型電極組件，該堆疊/摺疊型電極組件被構造成具有如下結構，其中，預定數目的陰極和預定數目的陽極在隔板分別被布置在陰極之間和陽極之間的狀態下被順次地堆疊以組成諸如二分電池(b1-cell)或者全電池(full cell)的單元電池並且然後使用隔離膜纏繞單元電池。果凍卷型電極組件優點在幹，果凍卷型電極組件容易製造並且具有高的每單位質量能量。
[0005]同時，如在圖1中所示，被用於製造電極組件的傳統的心軸在垂直截面中被形成為六面形92或者成角的橢圓形。而且，傳統的心軸的整體是由單一金屬製成。傳統的心軸具有下述問題。
[0006]首先，Y軸速率變化大於X軸速率變化，即，在心軸90的旋轉期間在諸如電極的片型堆疊體被纏繞在心軸90上的位置處的線性速率的變化。
[0007]而且，力被集中於與心軸90的長軸的端部96接觸的片型堆疊體的摺疊部分，其在心軸90的旋轉期間具有最大的迴轉半徑，因此在片型堆疊體的摺疊部分處，當片型堆疊體接觸心軸時的加速度增加，從而被施加到片型堆疊體的摺疊部分的衝擊量增加。[0008]此外，在片型堆疊體的摺疊部分處的速率變化和被施加到片型堆疊體的摺疊部分的衝擊量使片型堆疊體的剰餘應カ增加。因此，當在後續過程，即，在壓縮果凍卷電極組件的過程產生的應カ被進ー步施加到片型堆疊體的摺疊部分時，片型堆疊體的摺疊部分被破壞，從而電池的安全性被降低。
[0009]因此，從根本上解決上述問題的技術的必要性非常高。
【發明內容】
[0010]摶術問是頁
[0011]因此，已經做出本發明以解決還沒有解決的上述問題和其它技術問題。
[0012]由於對解決如上所述的問題的各種廣泛和深入的研究和試驗，本申請的發明人已經開發一種心軸，該心軸被構造成使得在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸是橢圓形的，心軸的長軸與短軸的長度比是預定值或者更大，並且心軸被構造成具有平緩的橢圓形結構，其中在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸的外側的傾斜度從心軸的短軸的端部到長軸的端部連續地改變。另外，本發明人已經發現，當片型堆疊體在其端部被配合在心軸的中心區域中的狀態下被纏繞在心軸上時大大地減小在心軸的恆速旋轉期間從心軸的長軸的端部施加到片型堆疊體的纏繞應力。基於這些發現已經完成本發明。
_3] 技術方案
[0014]根據本發明的ー個方面，通過提供ー種心軸能夠完成以上和其它目的，該心軸被構造成在纏繞過程中使用，該纏繞過程用於使用陰極/隔板/陽極結構的長片型堆疊體製造果凍卷型電極組件，其中在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸是橢圓的，心軸的長軸與短軸的長度比是1.5或者更大，並且在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸的外側的傾斜度從心軸的短軸的端部到心軸的長軸的端部連續地改變,使得心軸被構造成具有橢圓形結構，以便減小當片型堆疊體在其端部被配合在心軸的中心區域中的狀態下被纏繞在心軸上時、在心軸的恆速旋轉期間從心軸的長軸的端部施加到片型堆疊體的纏繞應力。
[0015]在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，根據本發明的心軸被形成為具有平緩的曲線的橢圓形。因此，通過利用關於心軸的旋轉中心軸線的橢圓等式繪製的曲線來決定心軸的截面，並且因此，當片型堆疊體被纏繞在心軸上時使線性速率變化最小化,從而減小片型堆疊體的應カ的產生。
[0016]在具體示例中，在與如在圖1中所示的心軸90的旋轉中心軸線94垂直的截面中，傳統的心軸90可以被形成為六邊形92。因此，通過不具有固定的半徑的心軸的旋轉運動控制當在心軸上纏繞片型堆疊體時引起的直線運動，並且由於在那時產生的所減小的加速度的力的差異，片型堆疊體的應カ是不均勻的。
[0017]例如，大致通過具有180度的周期的函數來表示相對於尺寸在理論上計算的用於補償片型堆疊體的X軸速率Vx的變化的校正量。然而，實際上，在180度的點處存在具有不同的傾斜度的點，在該點處難以微分。對位移進行微分以獲得速率，並且因此，產生在該點處速率被瞬間改變的點，這意味著加速度被急劇地改變，因此增加了衝擊量。
[0018]這被認為是當心軸通常不是在橢圓截面中而是在六面體截面中旋轉時產生的現象。即，當在心軸上纏繞片型堆疊體時產生的片型堆疊體的X軸速率Vx似乎在理論上與sin 0成比例。然而，實際上，當0=90度但是角小於90度時，例如，在大約80度的角0處，最大值不出現。這被認為是因為最大值存在幹與旋轉運動的圓周相切的點處。
[0019]另ー方面，在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，根據本發明的心軸被形成為平緩的橢圓的形狀。因此，即使在心軸的長軸的端部處的カ變化也遠遠小於傳統的心軸中的カ變化，在心軸的長軸的端部處カ變化大。結果，減小了被施加到片型堆疊體的摺疊部分的力，並且因此，能夠減小被施加到片型堆疊體的纏繞應カ並且，同時，均勻化被施加到片型堆疊體的整體纏繞應力。
[0020]如上所限定的，基於心軸的旋轉中心軸線，心軸的長軸與短軸的長度比是1.5或者更大。如果心軸的長軸與短軸的長度比小於1.5，則上述現象是無意義的。因此，本發明被應用於其中短軸和長軸的相對長度範圍滿足上述條件的心軸。優選地，心軸的長軸與短軸的長度比是1.5至4。
[0021]在優選的示例中，心軸可以被劃分為第一心軸部和第二心軸部，該第一心軸部位於心軸的中心區域的ー側處，片型堆疊體的端部被配合在第一心軸部中，該第二心軸部位於心軸的中心區域的另ー側處。因此，能夠調節第一心軸部和第二心軸部之間的距離，從而容易地調節果凍卷型電極組件的尺寸。
[0022]在上述結構中，第一心軸部和第二心軸部均可以包括主體部和邊緣部，該主體部具有在接合狀態下片型堆疊體被配合在其中的區域，該邊緣部具有心軸的長軸的端部。
[0023]在上述結構的示例中，邊緣部可以是由呈現比主體部的彈性模量低的彈性模量的材料形成。因此，當片型堆疊體被纏繞在心軸上時能夠減小通過片型堆疊體和邊緣部之間的接觸產生的衝擊量，從而減小對片型堆疊體的損壞和片型堆疊體的殘餘應カ。優選地，邊緣部具有等於主體部的彈性模量的0.001至0.5倍的彈性模量。
[0024]S卩，由低彈性模量形成的邊緣部，呈現比由高彈性模數形成的主體部低的強度和聞的彈性。
[0025]例如，主體部的彈性模量優選地是190至2IOGPa,並且邊緣部的彈性模量優選地是0.4至3GPa。更加優選地，邊緣部的彈性模量優選地是I至3GPa。
[0026]在優選示例中，主體部可以由金屬材料形成，並且邊緣部可以由塑性材料形成。
[0027]金屬材料可以代表性地包括不鏽鋼(SUS)和模具鋼(SKD);然而，金屬材料不限於此。
[0028]各種塑性材料可以被使用。例如，可以使用工程塑性材料，其基於自身潤滑呈現高的耐磨損性並且高的耐久性。工程塑性材料可以從由例如聚醯胺(PA)、聚縮醛(P0M)、聚碳酸酷(PC)、改性聚苯醚(MPP0)、聚對苯ニ甲酸丁ニ醇酯(PBT)以及聚醚醚酮(PEEK)組成的組中選擇；然而，工程塑性材料不限於此。
[0029]在主體部和邊緣部被一體化的情況下，能夠減少製造心軸的過程的數目。
[0030]如先前所描述的，心軸被構造成具有平緩的橢圓形的結構，其中在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸的外側的傾斜度從心軸的短軸的端部到心軸的長軸的端部連續地改變。這可以被表達為其中無傾斜度變化的區域不存在於心軸的短軸的端部與心軸的長軸的端部之間的結構。結果，在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸被形成為包括長軸和短軸的稍長的形狀，並且心軸被構造成具有其中在心軸的外側連續地並且平緩地改變傾斜度的結構。[0031]在示例中，心軸的長軸的端部的曲率半徑可能不小於心軸的短軸的長度的1/3倍,並且心軸的短軸的端部的曲率半徑可能不小於心軸的長軸的長度的1.5倍。優選地，心軸的長軸的端部的曲率半徑是心軸的短軸的長度的1/3至I倍，並且心軸的短軸的端部的曲率半徑是心軸的長軸的長度的1.5至3倍。
[0032]根據情形，基於心軸的旋轉中心軸線彼此面向的第一心軸部的側面和第二心軸部的相應側面可以被構造成具有錐形結構，其中當心軸在片型堆疊體被配合在心軸中的狀態下旋轉時，心軸的與片型堆疊體接觸的側面不被破壞。錐形結構的角度沒有被特別地限制。例如，錐形結構的角度可能大約是10至60度。
[0033]根據本發明的另一方面，提供ー種稜柱狀二次鋰電池，該稜柱狀二次鋰電池包括使用具有上述構造的心軸製造的果凍卷型電極組件。
[0034]在片型堆疊體的陰極/隔板/陽極結構被纏繞在心軸上之後，心軸被去除。所製造的果凍卷型電極組件被壓縮並且被安裝到稜柱狀金屬容器中。鋰電解液被注入到電極組件中，並且電極組件被密封以製造稜柱狀二次鋰電池。
[0035]在根據本發明的稜柱狀二次鋰電池中，在纏繞過程以製造果凍卷型電極組件期間，能夠減小從心軸的長軸的端部被施加到片型堆疊體的纏繞應力。因此，在其中所製造的果凍卷型電極組件被壓縮並且然後被安裝在稜柱狀金屬容器中的情況下，能夠解決電極組件的一部分被破壞的問題，並且同時，在電池的使用期間保持稜柱狀二次鋰電池的優秀性能並且確保電池的安全性。
[0036]而且，與通過使用傳統的心軸纏繞片型堆疊體獲得的電極組件相比較，如上所述的通過使用被構造成在垂直截面中具有橢圓形的結構的心軸來纏繞片型堆疊體而獲得的電極組件能夠在垂直截面中保持適當的稜柱狀，傳統的心軸纏繞片型堆疊體獲得的電極組件被構造成在垂直截面中具有圓形結構。因此，對於稜柱狀二次電池的製造來說本發明是特別地優選的。
[0037]在本發明屬於的領域中基於果凍卷型電極組件的電池的其它組件和及其製造方法是眾所周知的，並且因此，將不給出其詳細描述。
[0038]有益.效果
[0039]從上面的描述顯然的是，根據本發明，在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸是橢圓的，心軸的長軸與短軸的長度比是預定值或者更大，並且心軸被構造成具有平緩的橢圓形結構，其中在與心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，心軸的外側的傾斜度從心軸的短軸的端部到心軸的長軸的端部連續地改變。因此，當片型堆疊體在其端部被配合在心軸的中心區域中的狀態下被纏繞在心軸上時，大大地減小了從心軸的長軸的端部施加到片型堆疊體的纏繞應力，從而確保電池的安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]結合附圖，根據下面的詳細描述，將會更加清楚地理解本發明的以上和其它的目的、特徵和其它優點，其中:
[0041]圖1是示出傳統的心軸的截面圖；
[0042]圖2和圖3是示出根據本發明的實施例的心軸的截面圖；並且
[0043]圖4是在圖2中示出的心軸的右側視圖。【具體實施方式】
[0044]現在，將會參考附圖詳細地描述本發明的示例性實施例。然而，應注意的是，不通過被圖示的實施例來限制本發明的範圍。
[0045]圖2和圖3是典型地示出根據本發明的實施例的心軸的截面圖，並且圖4是典型地示出圖2的心軸的右側視圖。
[0046]參考這些附圖，心軸100在與心軸100的旋轉中心軸線30垂直的截面中是橢圓形的，並且心軸100的長軸的長度H大約是心軸100的短軸的長度D的兩倍。
[0047]而且，心軸100被構造成具有平緩的橢圓形的結構，其中在與心軸100的旋轉中心軸線30垂直的截面中，心軸100的外側的傾斜度從心軸100的短軸的端部52到心軸100的長軸的端部54連續地改變。因此，當片型堆疊體(未示出)在其端部被配合在位於心軸100的中心區域處的凹陷部分40的狀態下被纏繞在心軸100上時，減小了在心軸100的恆速旋轉期間從心軸100的長軸的端部54施加到片型堆疊體的纏繞應力。
[0048]凹陷部40被構造成具有保持或者釋放片型堆疊體的端部的結構。
[0049]心軸100被劃分為位於心軸100的中心區域的右側處的第一心軸部10和位於心軸100的中心區域的左側處的第二心軸部20，片型堆疊體的端部被配合在第一心軸部10中。
[0050]第一心軸部10和第二心軸部20均包括主體部14和邊緣部12，主體部14具有在接合狀態下片型堆疊體被配合在其中的區域，邊緣部12具有心軸100的長軸的端部54。根據情況，該邊緣部12可以是塗覆層，其具有預定的厚度，以覆蓋主體部14的一部分。
[0051]主體部14由金屬材料形成，並且邊緣部12由呈現比主體部14的彈性模量低的彈性模量的塑性材料形成。
[0052]而且，主體部14和邊緣部12通常被一體化形成。在與心軸100的旋轉中心軸線30垂直的截面中，在心軸100的短軸的端部52和心軸100的長軸的端部54之間不設置無傾斜度變化的區域。S卩，從心軸100的短軸的端部52到心軸100的長軸的端部54連續地形成曲線。
[0053]心軸100的長軸的端部54的曲率半徑r近似於是心軸100的短軸的長度D的一半，並且心軸100的短軸的端部52的曲率半徑R近似於是心軸100的長軸的長度H的1.5倍。
[0054]而且，基於心軸100的旋轉中心軸線30彼此面向的第一心軸部10的側面和第二心軸部20的相應側面被構造成具有錐形的結構16。因此，當心軸100在片型堆疊體被配合在心軸100中的狀態下旋轉時，心軸的與片型堆疊體接觸的側面不被破壞。
[0055]同時，主體部14和邊緣部12被構造成具有凹凸型緊固結構。
[0056]雖然為了說明性目的已經公開了本發明的示例性實施例，但是本領域的技術人員將會理解，在沒有脫離如在隨附的權利要求中公開的本發明的範圍和精神的情況下，各種修改、添加以及替代是可能的。
【權利要求】
1.一種心軸，所述心軸被構造成在用於使用陰極/隔板/陽極結構的長片型堆疊體製造果凍卷型電極組件的纏繞過程中使用，其中: 在與所述心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，所述心軸是橢圓的，所述心軸的長軸與短軸的長度比是1.5或者更大，並且 在與所述心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，所述心軸的外側的傾斜度從所述心軸的短軸的端部到所述心軸的長軸的端部連續地改變，使得所述心軸被構造成具有橢圓形結構，以便減小當在所述片型堆疊體的端部被配合在所述心軸的中心區域中的狀態下所述片型堆疊體被纏繞在所述心軸上時、在所述心軸的恆速旋轉期間從所述心軸的長軸的端部施加到所述片型堆疊體的纏繞應力。
2.根據權利要求1所述的心軸，其中，所述心軸的長軸與短軸的長度比是1.5至4。
3.根據權利要求1所述的心軸，其中，所述心軸被劃分為位於所述心軸的中心區域的一側處的第一心軸部和位於所述心軸的中心區域的另ー側處的第二心軸部，所述片型堆疊體的端部被配合在所述第一心軸部中。
4.根據權利要求3所述的心軸，其中，所述第一心軸部和所述第二心軸部均包括主體部和邊緣部，所述主體部具有在接合狀態下所述片型堆疊體被配合在其中的區域，所述邊緣部具有所述心軸的長軸的端部。
5.根據權利要求4所述的心軸，其中，所述邊緣部由呈現比所述主體部的彈性模量低的彈性模量的材料形成。
6.根據權利要求4所述的心軸，其中，所述主體部由金屬材料形成,並且所述邊緣部由塑性材料形成。
7.根據權利要求6所述的心軸，其中，所述邊緣部由工程塑性材料形成。
8.根據權利要求7所述的心軸，其中，所述工程塑性材料選自:聚醯胺(PA)、聚縮醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(MPPO)、聚對苯ニ甲酸丁ニ醇酯(PBT)以及聚醚醚酮(PEEK)。
9.根據權利要求4所述的心軸，其中，所述主體部和所述邊緣部被一體化。
10.根據權利要求1所述的心軸，其中，在與所述心軸的旋轉中心軸線垂直的截面中，在所述心軸的短軸的端部和所述心軸的長軸的端部之間未設置無傾斜度變化的區域。
11.根據權利要求1所述的心軸，其中，所述心軸的長軸的端部的曲率半徑不小於所述心軸的短軸的長度的1/3，並且所述心軸的短軸的端部的曲率半徑不小於所述心軸的長軸的長度的1.5倍。
12.根據權利要求3所述的心軸，其中，基於所述心軸的旋轉中心軸線彼此面向的第一心軸部的側面和第二心軸部的相應側面被構造成具有錐形結構，其中當所述心軸在所述片型堆疊體被配合在所述心軸中的狀態下旋轉時，所述心軸的與所述片型堆疊體接觸的側面不被破壞。
13.ー種稜柱狀鋰二次電池，包括使用根據權利要求1至12中的任一項所述的心軸製造的果凍卷型電極組件。
【文檔編號】H01M10/04GK103443989SQ201280014648
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年2月29日 優先權日:2011年3月31日
【發明者】鄭在喆, 金學均, 金東明, 金純煥, 餘昌信 申請人:株式會社Lg 化學