一种用于制备中空碳棒的模头的制作方法

本实用新型属于电池领域，具体涉及一种用于制备中空碳棒的模头。

背景技术：

锂亚硫酰氯电池的比能量达到680wh/kg，环境使用温度可从低温-60℃到高温85℃内正常使用，使用寿命超十年，年均自放电率＜1％，在智能表计、智能家居、智能追踪、智能安防等新兴行业有广泛的应用。

随着物联网建设的快速推进，智慧城市概念深入人心，电池的应用模式越来越多样化，势必对电池性能要求也越来越高。如现在共享单车上应用的锂亚硫酰氯电池，需要电芯结构具有较高的稳定性来预防使用过程中的频繁震动，另外还需要电芯在不同的温湿度条件下，不同姿势包括直立、平躺和倒立下放电也具有较高的放电容量。

锂亚硫酰氯的d型电池的碳正极主要有两种结构：

(1)实心结构，这种结构主要是采用直径1-2mm的颗粒正极，通过自动下料机直接压实在钢壳中，形成密实的实心圆柱碳包，最后再插入镍针或镍网集流；这种结构存在一定的不足的是，若是组装生产过程管控不佳时，正极在插入集流镍网时，容易破坏原有正极的密实结构，导致正极松散或正极面不平整，此时正极的集流效果会表现出不稳定。另外实心结构的正极，颗粒与颗粒之间会吸附大量的电解液，导致电池体系中游离的电解液少，引起电池在不同放电姿势下具有较大的放电容量差异。

(2)空心结构，这种结构因为正极中间具有较大的空间来填充游离的电解液，则能很好地解决电池在不同放电姿势下放电容量差异，这种结构的电芯组装则需要在自动下料前，增加一个工序，在钢壳中固定中间模具棒，然后再将颗粒正极下料，在中间模具棒和边膜的间隙中压实，形成中空的碳正极结构，再将环形集流网插入中空结构中进行集流。这种结构的电芯组装的问题是，由于颗粒正极具有强的静电作用，设备较难均匀地将正极压实在中间模具棒和边膜之间，且压实的碳棒不具备一定的强度，中间环状集流网安装时可能引起正极碳包结构破坏，可能会导致电池相对差的放电容量一致性。

因此，开发一种用于制备具有高强度和均匀压实密度的中空碳棒的模头仍具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于制备中空碳棒的模头，所述模头包括连续挤出部和内模芯，所述连续接触部上设置有两级阶梯孔，所述内模芯的圆柱棒芯位于所述两级阶梯孔内；将所述模头用于中空碳棒的挤出成型过程时，将两级阶梯孔中孔径较大的一端作为进料口与所述挤出机连接，中空碳棒则由两级阶梯孔中孔径较小的一端挤出，经裁切，得到中空碳棒，采用本实用新型所述模头能高效、快速的得到中空碳棒，且所得中空碳棒的压实密度均匀、强度较高。

为达到此实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种用于制备中空碳棒的模头，所述模头包括连续挤出部和内模芯，所述连续挤出部上设置有两级阶梯孔，所述两级阶梯孔为通孔，所述两级阶梯孔包括第一级阶梯孔和第二级阶梯孔，所述第一级阶梯孔的直径大于所述第二级阶梯孔的直径，所述内模芯包括圆柱棒芯和环状模具，所述圆柱棒芯的一端与所述环状模具连接，所述圆柱棒芯位于所述两级阶梯孔内，所述圆柱棒芯的直径小于第二级阶梯孔的直径，所述环状模具的环体直径大于所述第一阶梯孔的直径。

本实用新型所述用于制备中空碳棒的模头包括设置有两级阶梯孔的连续挤出部和设置在所述两级阶梯孔内部的圆柱棒芯；在模头的使用过程中，将连续挤出部上两级阶梯孔中直径较大的一端与挤出机连接；原料由挤出机供给到模头，之后由两级阶梯孔中直径较小的一端排出，从而实现中空碳棒的制备，本实用新型所述模头的结构简单，且由其挤出得到的中空碳棒的压实密度均匀；将所得中空碳棒用作锂-亚硫酰氯电池的正极，明显简化了电池的组装过程，降低了电池内部因正极掉粉造成的电池微短路的风险。

同时，圆柱棒芯的一端连接所述环状模具，所述环状模具用于固定所述圆柱棒芯在所述两级阶梯孔中的位置，避免圆柱棒芯的外壁与所述两级阶梯孔的内壁接触，所述环状模具的环体直径大于所述第一级阶梯孔的直径，避免了环状模具的环体对挤出过程的影响，从而得到压实密度均匀的中空碳棒。

优选地，所述圆柱棒芯的轴线方向平行于所述两级阶梯孔的轴线方向。

优选地，所述圆柱棒芯靠近所述第二级阶梯孔的一侧端面与所述第二级阶梯孔的自由端平齐，所述圆柱棒芯的另一端与所述环状模具连接。

本实用新型所述圆柱棒芯靠近所述第二级阶梯孔的一侧端面与所述第二级阶梯孔的自由端平齐，其有利于提高挤出成型得到的中空碳棒的压实密度的均匀性，且有利于得到强度较高的中空碳棒。

优选地，所述圆柱棒芯的一端与所述环状模具的环心连接。

优选地，所述圆柱棒芯的轴线垂直于所述环状模具的环体的环面。

优选地，所述两级阶梯孔的截面为圆形。

优选地，所述第一级阶梯孔的自由端对应所述模头的进料口，所述第二级阶梯孔的自由端对应所述模头的出料口。

此处两级阶梯孔中，第一级阶梯孔与第二级阶梯孔不相邻的一端分别记为第一级阶梯孔的自由端和第二级阶梯孔的自由端，其连接端分别记为第一级阶梯孔的连接端和第二级阶梯孔的连接端。

优选地，所述进料口一端设置有卡扣口，所述环状模具的直径小于所述卡扣口的直径，所述环状模具卡扣在所述卡扣口内。

本实用新型所述连续挤出部的两级阶梯孔中直径较大的一端为进料口，在所述进料口的一端设置卡扣口，所述卡扣口的直径大于所述环状模具的环体直径，所述环状模具的环体直径大于所述第一级阶梯孔的直径，从而可将所述环状模具卡扣在所述卡扣口内；从而避免环状模具影响挤出过程或模头的安装。本实用新型所述环状模具的作用在于固定圆柱棒芯，并确定所述棒芯在所述两级阶梯孔中的位置。

优选地，所述环状模具上沿环体的直径方向设置有支撑杆，所述支撑杆通过所述环体的环心。

此处所述环状模具上沿环体的直径方向设置有支撑杆，所述支撑杆通过所述环体的环心，所述圆柱棒芯的一端与所述环心固定连接；所述圆柱棒芯垂直于所述环体的环面；此处的固定连接包括焊接或螺纹连接中的任意一种。

优选地，所述支撑杆上与所述环体的环心相应的位置处设置有螺纹孔，所述环状模具和所述圆柱棒芯通过螺纹连接。

优选地，所述连续挤出部上位于所述第一级阶梯孔的自由端的一周设置有螺栓孔，用于将所述模头固定连接在挤出机上。

采用本实用新型所述模头制备得到的中空碳棒为圆柱形中空碳棒，所述圆柱形中空碳棒由一步成型得到，中空碳棒的内部压实密度均匀，且强度较高，在安装过程中不易出现掉落微粉的现象，减少因正极造成的微短路现象的发生，提高电池的生产效率。

且由本实用新型所述模头将原料经挤出成型得到的圆柱形中空碳棒的中空结构中能储存充分的游离电解液，从而使得由其组装得到的电池正极始终充分浸润在电解液中，进而显著降低电池在不同放电姿势下的放电容量的差异。

此处所述不同的放电姿势包括直立、平躺和倒立。

本实用新型所述模头的使用方法包括将模头的进料口一侧与螺杆挤出机连接，之后将混合浆料由所述模头的进料口加入所述模头内，经螺杆挤出机挤出由所述模头出料口排出，经裁切，烘干，得到所述中空碳棒。

本实用新型所述模头用于制备中空碳棒的过程可采用如下方法，所述方法包括以下步骤：

所述中空碳棒的制备方法包括以下步骤：

(ⅰ)将固含量为50-70％的聚四氟乙烯乳液和异丙醇加入到混合机的溶剂搅拌罐中，在频率为10-15hz的条件下搅拌5-10min，得到混合液；

(ⅱ)将乙炔黑加入混料机中，混合过程中加入步骤(ⅰ)得到的混合液，搅拌5-10min，得到混合浆料，所述混合浆料中乙炔黑、聚四氟乙烯乳液和异丙醇的质量比为1:(0.05-0.2):(1.5-3)；

(ⅲ)将步骤(ⅱ)得到的混合浆料在25-40℃的条件下经模头挤出成型，之后经传送装置传送后，经过自动裁切机裁切，在80-130℃下干燥，得到中空碳棒。

步骤(ⅲ)中模头的使用过程中将模头的进料一端与所述挤出机的出口端通过螺栓固定连接，之后经挤出成型，所述原料由挤出机出料口，进入模头的进料口，之后由第二级阶梯孔的自由端挤出，之后经裁切，干燥，得到所述中空碳棒。

采用上述方法一步成型制备得到中空碳棒，所述碳棒具有高的强度，在安装过程中不易出现掉落微粉的现象，且挤出成型后经裁切，干燥，得到的中空碳棒的表面平整，其能与电池的上下隔膜良好接触，且在插入集流体的过程中不易出现破碎的现象，避免电池内部微短路的风险。

由本实用新型所述模头挤出成型得到的中空碳棒用于锂-亚硫酰氯电池的正极。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型所述模头包括连续挤出部和内模芯，所述连续挤出部上设置有两级阶梯孔，其与内模芯配合，从而实现一步成型得到中空碳棒，且所得中空碳棒具有高的强度，在安装过程中不易发生掉微粉的现象，从而降低电池内部微短路的风险；

(2)由本实用新型所述模头挤出得到的中空碳棒的中空结构使得由其组装得到的电池内正极具有充分的游离电解液，使得正极始终浸泡在电解液中，使得电池在不同放电姿势下的放电容量偏差较小；

(3)由本实用新型所述模头挤出成型得到的中空碳棒在电池的组装过程中便于安装，大大提高了电池的组装效率，且降低了自动化水平的要求；

(4)由本实用新型所述模头挤出成型得到的中空碳棒的表面平整，能与电池隔膜进行平整接触，便于提高电池的安全性；

(5)本实用新型所述模头的结构简单，使用方法简单，从而提高制备过程的效率。

附图说明

图1是本实用新型所述模头的连续挤出部的结构示意图；

图2是本实用新型所述模头的内模芯的结构示意图；

图3是本实用新型所述连续挤出部和内模芯结合后的结构示意图；

图4是本实用新型所述模头的连续挤出部上螺栓孔的分布示意图；

图5是本实用新型所述内模芯的环状模具的结构示意图；

图6是本实用新型应用例1中制备得到的中空碳棒的正视图；

图7是本实用新型应用例1中制备得到的中空碳棒的俯视图；

图8是本实用新型对比例1中制备得到的实心圆柱碳包的正视图；

图9是本实用新型对比例1中制备得到的实心圆柱碳包的俯视图；

图10是本实用新型对比例2中制备得到的中空的碳正极结构的正视图；

图11是本实用新型对比例2中制备得到的中空的碳正极结构的俯视图；

1-第一级阶梯孔，2-第二级阶梯孔，3-卡扣口，4-圆柱棒芯，5-环状模具，6-螺栓孔，7-环体，8-螺纹孔。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。

实施例1

本实施例所述的模头的连续挤出部的结构示意图如图1所示，由图1可以看出，所述连续挤出部上设置有两级阶梯孔，包括第一级阶梯孔1和第二级阶梯孔2，所述第一级阶梯孔1的直径大于第二级阶梯孔2的直径，所述第一级阶梯孔1的自由端设置有卡扣口3，所述卡扣口3的直径大于第一级阶梯孔1的直径；

本实施例所述的模头的内模芯的结构示意图如图2所示，由图2可以看出，所述内模芯包括圆柱棒芯4和环状模具5，所述圆柱棒芯4固定连接在所述环状模具5的环心，所述圆柱棒芯4垂直于所述环状模具5的环面。

内模芯和连续挤出部结合的示意图如图3所示，由图3可以看出，圆柱棒芯4的直径小于第二级阶梯孔2的直径，所述圆柱棒芯4位于所述阶梯孔内，所述圆柱棒芯4靠近所述第二级阶梯孔2的一侧端面与所述第二级阶梯孔2的自由端的端面平齐；所述环状模具5的直径大于所述第一级阶梯孔1的直径，所述环状模具5的直径小于所述卡扣口3的直径，所述环状模具5卡扣在所述卡扣口3内；

如图4所示，所述连续挤出部上设置有螺栓孔6，所述螺栓孔6位于所述第一级阶梯孔1的自由端的端面的一周。

所述环状模具的结构示意图如图5所示，由图5可以看出，所述环状模具5上沿所述环体直径方向设置有支撑杆，所述支撑杆穿过所述环体7的环心，所述支撑杆上对应环心处设置有螺纹孔8，所述螺纹孔8用于将环状模具5与所述圆柱棒芯4连接。

应用例1

本应用例中所述中空碳棒的制备过程采用实施例1中所述模头；

中空碳棒的制备方法：

(ⅰ)将固含量为60％的聚四氟乙烯乳液和异丙醇加入到混合机的溶剂搅拌罐中，在频率为10hz的条件下搅拌10min，得到混合液；

(ⅱ)将乙炔黑加入混料机中，混合过程中加入步骤(ⅰ)得到的混合液，搅拌10min，得到混合浆料，所述混合浆料中乙炔黑、聚四氟乙烯乳液和异丙醇的质量比为1:0.1:2；

(ⅲ)将步骤(ⅱ)得到的混合浆料在30℃的条件下经如图3所示的模头挤出成型，之后经传送装置传送后，经过自动裁切机裁切，在120℃下干燥，得到中空碳棒。

本实施例所得中空碳棒的正视图和俯视图如图6和图7所示，由图可以看出，所述碳棒为中空结构；

本实施例所述中空碳棒的内径为12mm，其外径为25.5mm，其长度为33mm。

对比例1

本对比例将直径为1-2mm的颗粒正极，通过自动下料机直接压实在钢壳中，形成密实的实心圆柱碳包，其正视图和俯视图分别如图8和图9所示。

对比例2

本对比例在钢壳中固定中间模具棒，然后再将直径为1-2mm颗粒正极下料，在中间模具棒和边膜的间隙中压实，形成中空的碳正极结构，其正视图和俯视图分别如图10和图11所示。

性能测试：

锂/亚硫酰氯电池的组装：以应用例1和对比例1-2制备得到的碳电极作为正极，以金属锂作为负极，电解液为15mol/l四氯铝锂的亚硫酰氯溶液，和隔膜组装成er34615电芯；测试其在常温165ω恒阻放电，截止电压2.0v的条件下，不同的放电姿势下(直立、平躺、倒立)的放电容量，其测试结果如表1所示；

表1

由上表可以看出，采用本实用新型所述模头一步成型得到的中空碳棒作为锂-亚硫酰氯电池的正极时，电池在不同姿势下的放电容量的偏差更小，从而说明本实用新型所述中空碳棒有利于提高电池放电的稳定性。

重复应用例1中的中空碳棒挤出成型的过程，测试得到的中空碳棒的重量的一致性；选取样品的数量为100个，由此测试得到的中空碳棒的重量一致性为1.3％。

重复对比例2中的中空的碳正极结构的组装过程，取样品数为100个，将压实的正极全部取出，测试得到的的正极重量的一致性；由此测试得到的中空的碳正极结构的组装过程的重量一致性为2.8％。

重量一致性的计算方法为：

其中，mmax为样品质量最大值，mmin为样品质量最小值，mave为样品质量平均值。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。