一种锂离子电池双面连续涂布设备及其涂布方法与流程

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是一种锂离子电池双面连续涂布设备及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池由于具有比能量高、循环寿命长、安全性能好、对环境友好以及无记忆效应等优点，在手机、笔记本电脑、数码照相机等领域得到广泛而快速的应用。一种重量轻、体积小、工作温度宽、安全性能好、能量高、寿命长的锂离子电池越来越受到人们的高度青睐。但目前生产锂离子电池设备稳定性差，特别是卧式单面涂布机涂布出的极片厚度和面密度不均匀，这样就会造成极片一致性差，从而导致锂离子电池一致性差，配组率低，甚至还会造成电池起火爆炸。而且目前的卧式单面涂布机都是只能单面涂布，即涂布完第一面烘干后，再进行另外一面涂布烘干后得到正、负极极片，效率低、能耗高。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种锂离子电池双面连续涂布设备及其涂布方法，以提高锂离子电池制备的一致性和安全性。

为实现上述发明目的，本发明包括自动放卷系统、牵引机构、涂布机头、立式垂直烘箱、自动收卷系统、主机控制系统；

所述自动放卷系统由放卷底架、放卷架、直线轴承、气动元件、放卷电机一、变频器一、气胀轴一、纠偏控制器一、浮辊机构、压带机构一、操作面板一组成；放卷架、放卷电机一、纠偏控制器一、浮辊机构一、压带机构一、操作面板一固定在放卷底架上，放卷底架的面板上设有直线轴承一，气胀轴一装在放卷架上，纠偏控制器一置于极卷走向的侧部，压带机构一置于极卷走向的下部，放卷电机一通过皮带带动多个浮辊机构一运转；气动元件、放卷电机一、变频器一、纠偏控制器一、压带机构一与操作面板一连接，所述操作面板一包括自动放卷系统的暂停、停止、牵引、涂布、放卷正转、放卷反转、压带功能；

所述牵引机构由牵引底架、机架平台、牵引胶辊、牵引电机、变频器二、牵引压辊、浮辊机构二、行进纠偏机构组成；机架平台、牵引胶辊、牵引电机、变频器二、牵引压辊、行进纠偏机构固定在牵引底架上，行进纠偏机构置于极卷走向的侧部，浮辊机构二的一端与机架平台铰接，另一端铰接在可调整高度的其中一个牵引压辊上，牵引电机通过皮带经牵引胶辊带动多个牵引压辊运转，多个牵引压辊与自动放卷系统上的多个浮辊机构一同步运转；

所述涂布机头由机头底架、安装辊立板、料槽、涂辊、轴承、减速机、伺服电机、刮刀、直线轴承二、过辊、搅拌气缸、长度计算器组成；安装辊立板、减速机、伺服电机、过辊固定在机头底架上，伺服电机通过减速机带动过辊运转，过辊与牵引机构上的多个牵引压辊同步运转，机头底架的面板上设有直线轴承二；安装辊立板上装有两个料槽，搅拌气缸对两个料槽内的浆料进行均匀搅拌，两个料槽的下部分别对应设有涂辊，两个涂辊分别通过轴承装在安装辊立板上，两个涂辊由极卷带动转动，刮刀置于涂辊的下部，安装辊立板上、极卷走向处设有长度计算器；

所述立式垂直烘箱由箱体、发热管、加热控制系统、鼓风机、抽风机、抽风管道、箱体内过辊组成；发热管、鼓风机、抽风机、箱体内过辊装在垂直烘箱由箱体内，垂直烘箱由箱体外设有加热控制系统、抽风管道，抽风管道与抽风机连接；发热管与箱体内过辊为多个；垂直烘箱由箱体为一个或两个以上；

所述自动收卷系统由收卷底架、收卷架、直线轴承三、元件、放卷电机二、变频器三、气胀轴二、纠偏控制器二、浮辊机构三、压带机构二、操作面板二组成；收卷架、放卷电机二、变频器三、纠偏控制器二、浮辊机构三、压带机构二、操作面板二固定在收卷底架上，收卷底架的面板上设有直线轴承三；纠偏控制器二置于极卷走向的侧部，压带机构二置于极卷走向的下部，放卷电机二通过皮带带动固定在收卷架的气胀轴二运转，气胀轴二、多个浮辊机构三与牵引机构的牵引胶辊同步运转；元件、放卷电机二、变频器三、纠偏控制器二、压带机构二与操作面板二连接，操作面板二包括暂停、停止、牵引、涂布、收卷正转、收卷反转、压带功能；

所述主机控制系统由触摸屏操作界面、plc中央控制系统、伺服驱动器、温度控制仪、限位感应器、变频器四、纠偏系统、加热系统、低压电气元件、控制柜组成，包括温度控制、涂布走速控制、涂布面密度控制、危险操作保护、报警提示、故障维修帮助功能。

所述涂布方法步骤如下：

（a）、正极极片制备方法：

（a1）、将铜箔或者铝箔牵过自动放卷系统、牵引机构、涂布机头、立式垂直烘箱、牵引机构、自动收卷系统；

（a2）、按照磷酸铁锂或锰酸锂或三元材料或钴酸锂正极活性物质90%-96%、sp或ks-6或cnt导电剂1%-3%、pvdf聚偏氟乙烯1%-3%的质量百分比，再按照上述固含量为60%-75%添加nmp甲基吡咯烷酮，混合搅拌得出分散均匀的正极浆料；

（a3）、将搅拌均匀的正极浆料放在涂布机头的料槽内；

（a4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布参数：

（a41）、同时双面连续涂布走速范围10-50m/min；

（a42）、同时双面连续涂布面密度范围30-60mg/cm²,精度±1%；

（a43）、同时双面连续涂布极片厚度范围200-400um,精度±2um；

（a44）、同时双面连续涂布的立式垂直烘箱温度范围90℃-150℃；

（a5）、根据以上步骤方法制备得厚度均匀、面密度一致的正极极片；

（b）、负极极片准备方法：

（b1）、将铜箔或者铝箔牵过锂离子双面连续涂布设备的自动放卷系统、牵引机构、涂布机头、立式垂直烘箱、自动收卷系统；

（b2）、按照石墨或钛酸锂或硅碳负极活性物质90%-96%、sp或ks-6或cnt导电剂1%-3%、cmc羧甲基纤维素钠1%-1.5%、sbr丁苯橡胶1-2.5%的质量百分比,再按照上述固含量为40%-56%添加去离子水，混合搅拌得出分散均匀的负极浆料；

（b3）、将搅拌均匀的负极浆料放在涂布机头的料槽内；

（b4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布参数：

（b41）、同时双面连续涂布走速范围10-50m/min；

（b42）、同时双面连续涂布面密度范围15-60mg/cm²,精度±1%；

（b43）、同时双面连续涂布极片厚度范围150-400um,精度±2um；

（b44）、同时双面连续涂布的立式垂直烘箱温度范围90℃-150℃；

（b5）、根据以上步骤方法制备得厚度均匀、面密度一致的负极极片；

（c）、将所得正极极片和负极极片再经过辊压、制片、叠片、烘烤、注液、化成、检测工序制备出锂离子电池。

本发明与现有技术相比，采用立式垂直烘箱涂布机进行双面极片同时涂布，替代传统的锂离子电池卧式单面涂布工艺，生产工艺得到简化，涂布效率可提高至少两倍以上，降低了能耗及成本，厚度可以控制在2um以内，面密度可以控制在1%以内，极片厚度及面密度均匀，涂布速度可以根据烘箱节数、烘箱高度和温度设定，锂离子电池一致性和安全性得到了保障，技术方案简单，容易操作，保证了涂布生产稳定、高效、连续，涂布精度高。

附图说明

图1为本发明系统示意简图。

图2为图1的自动放卷系统结构示意简图。

图3为图1的牵引机构结构示意简图。

图4为图1的涂布机头结构示意简图。

图5为图1的立式垂直烘箱结构示意简图。

图6为图1的自动收卷系统结构示意简图。

图7为图1的主机控制系统示意简图。

图8为图1的负极极片厚度分布示意图。

图9为图1的正极极片面密度分布示意图。

图10为图1的电池容量分布示意图。

图11为图1的电池循环寿命曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括自动放卷系统a、牵引机构b、涂布机头c、立式垂直烘箱d、自动收卷系统e、主机控制系统f。

如图2所示，自动放卷系统a由放卷底架a1、放卷架a2、直线轴承a3、气动元件a4、放卷电机一a5、变频器一a6、气胀轴一a7、纠偏控制器一a8、浮辊机构a9、压带机构一a10、操作面板一a11组成；放卷架a2、放卷电机一a5、纠偏控制器一a8、浮辊机构一a9、压带机构一a10、操作面板一a11固定在放卷底架a1上，放卷底架a1的面板上设有直线轴承一a3，气胀轴一a7装在放卷架a2上，纠偏控制器一a8置于极卷走向的侧部，压带机构一a10置于极卷走向的下部，放卷电机一a5通过皮带带动多个浮辊机构一a9运转；气动元件a4、放卷电机一a5、变频器一a6、纠偏控制器一a8、压带机构一a10与操作面板一a11连接，所述操作面板一a11包括自动放卷系统a的暂停、停止、牵引、涂布、放卷正转、放卷反转、压带功能。当纠偏控制器一a8需纠偏定位时，直线轴承a3左右横向移动使极片和箔材成直线运行，不会偏离中心方向。当需要换卷料或暂停时，启动气动元件a4，以固定极片或箔材。

如图3所示，牵引机构b由牵引底架b1、机架平台b2、牵引胶辊b3、牵引电机b4、变频器二b5、牵引压辊b6、浮辊机构二b7、行进纠偏机构b8组成；机架平台b2、牵引胶辊b3、牵引电机b4、变频器二b5、牵引压辊b6、行进纠偏机构b8固定在牵引底架b1上，行进纠偏机构b8置于极卷走向的侧部，浮辊机构二b7的一端与机架平台b2铰接，另一端铰接在可调整高度的其中一个牵引压辊b6上，牵引电机b4通过皮带经牵引胶辊b3带动多个牵引压辊b6运转，多个牵引压辊b6与自动放卷系统a上的多个浮辊机构一a9同步运转。

如图4所示，涂布机头c由机头底架c1、安装辊立板c2、料槽c3、涂辊c4、轴承c5、减速机c6、伺服电机c7、刮刀c8、直线轴承二c9、过辊c10、搅拌气缸c11、用于计算出涂布长度和数量的长度计算器c12组成；安装辊立板c2、减速机c6、伺服电机c7、过辊c10固定在机头底架c1上，伺服电机c7通过减速机c6带动过辊c10运转，过辊c10与牵引机构b上的多个牵引压辊b6同步运转，机头底架c1的面板上设有直线轴承二c9；安装辊立板c2上装有两个料槽c3，搅拌气缸c11对两个料槽c3内的浆料进行均匀搅拌，两个料槽c3的下部分别对应设有涂辊c4，两个涂辊c4分别通过轴承c5装在安装辊立板c2上，两个涂辊c4由极卷带动转动，刮刀c8置于涂辊c4的下部，安装辊立板c2上、极卷走向处设有长度计算器c12。直线轴承二c9可左右横向移动，使极片和箔材成直线运转，不会偏离中心方向。

如图5所示，立式垂直烘箱d由箱体d1、发热管d2、加热控制系统d3、鼓风机d4、抽风机d5、抽风管道d6、箱体内过辊d7组成；发热管d2、鼓风机d4、抽风机d5、箱体内过辊d7装在垂直烘箱由箱体d1内，垂直烘箱由箱体d1外设有加热控制系统d3、抽风管道d6，抽风管道d6与抽风机d5连接；发热管d2与箱体内过辊d7为多个；垂直烘箱由箱体d1为一个或两个以上。

如图6所示，自动收卷系统e由收卷底架e1、收卷架e2、直线轴承三e3、气动元件e4、放卷电机二e5、变频器三e6、气胀轴二e7、纠偏控制器二e8、浮辊机构三e9、压带机构二e10、操作面板二e11组成；收卷架e2、放卷电机二e5、变频器三e6、纠偏控制器二e8、浮辊机构三e9、压带机构二e10、操作面板二e11固定在收卷底架e1上，收卷底架e1的面板上设有直线轴承三e3；纠偏控制器二e8置于极卷走向的侧部，压带机构二e10置于极卷走向的下部，放卷电机二e5通过皮带带动固定在收卷架e2上的气胀轴二e7运转，气胀轴二e7、多个浮辊机构三e9与牵引机构b的牵引胶辊b3同步运转；元件e4、放卷电机二e5、变频器三e6、纠偏控制器二e8、压带机构二e10与操作面板二e11连接，操作面板二e11包括暂停、停止、牵引、涂布、收卷正转、收卷反转、压带等功能。当纠偏控制器二e8需纠偏定位时，直线轴承e3左右横向移动使极片和箔材成直线运行，不会偏离中心方向。当需要换卷料或暂停时，启动元件e4，以固定极片或箔材。

如图7所示，主机控制系统f由触摸屏操作界面f1、plc中央控制系统f2、伺服驱动器f3、温度控制仪f4、限位感应器f5、变频器四f6、纠偏系统f7、加热系统f8、低压电气元件f9、控制柜f10等组成，包括温度控制、涂布走速控制、涂布面密度控制、危险操作保护、报警提示、故障维修帮助等功能。

实施例一：

（a）、正极片制备：

（a1）、将铜箔或者铝箔牵过自动放卷系统a、牵引机构b、涂布机头c、立式垂直烘箱d、牵引机构b、自动收卷系统e；

（a2）、按照正极活性物质磷酸铁锂94%、sp导电剂1%、pvdf聚偏氟乙烯3%的质量百分比,再按照上述固含量为60%添加甲基吡咯烷酮用量，混合搅拌得出分散均匀的正极浆料；

（a3）、将搅拌均匀的正极浆料放在涂布机头c的料槽c3内；

（a4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布相关参数：同时双面连续涂布走速为10m/min、立式垂直烘箱d温度设置控制在125℃，将正极片烘烤干后制备得正极极片厚度平均为211um，面密度平均为30mg/cm²；

（b）、负极片制备：

（b1）、将铜箔或者铝箔牵过自动放卷系统a、牵引机构b、涂布机头c、立式垂直烘箱d、牵引机构b、自动收卷系统e；

（b2）、按照负极活性物质石墨94%、sp导电剂2%、cmc羧甲基纤维素钠1.5%、sbr丁苯橡胶2.5%的质量百分比，再按照上述固含量为40%添加去离子水，混合搅拌得出分散均匀负极浆料；

（b3）、将搅拌均匀的负极浆料放在涂布机头c的料槽c3内；

（b4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布相关参数：同时双面连续涂布走速为10m/min、立式垂直烘箱d温度设置控制在120℃，将负极片烘烤干后制备得负极极片厚度平均为191um，面密度平均为15mg/cm²；

（c）按照上述方法制备得合格的正极极片和负极极片，再经过辊压、制片、叠片、烘烤、注液、化成、检测等工序制备得锂离子电池容量为6.2ah，检测循环寿命2700次循环容量保持85%以上，而且一致性很好。

实施例二：

（a）、正极片制备：

（a1）、将铜箔或者铝箔牵过自动放卷系统a、牵引机构b、涂布机头c、立式垂直烘箱d、牵引机构b、自动收卷系统e；

（a2）、按照正极活性物质锰酸锂95%、sp导电剂1%、pvdf聚偏氟乙烯3%的质量百分比,再按照上述固含量为70%添加甲基吡咯烷酮，混合搅拌得出分散均匀的正极浆料；

（a3）、将搅拌均匀的正极浆料放在涂布机头c的料槽c3内；

（a4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布相关参数：同时双面连续涂布走速为20m/min、立式垂直烘箱d温度设置控制在125℃，将正极片烘烤干后制备得正极极片厚度平均为300um，面密度平均为60mg/cm²；

（b）、负极片制备：

（b1）、将铜箔或者铝箔牵过自动放卷系统a、牵引机构b、涂布机头c、立式垂直烘箱d、牵引机构b、自动收卷系统e；

（b2）、按照负极活性物质石墨94%、sp导电剂2%、cmc羧甲基纤维素钠1.5%、sbr丁苯橡胶2.5%的质量百分比，再按照上述固含量为40%添加去离子水，混合搅拌得出分散均匀负极浆料；

（b3）、将搅拌均匀的负极浆料放在涂布机头c的料槽c3内；

（b4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布相关参数：同时双面连续涂布走速为20m/min、立式垂直烘箱d温度设置控制在125℃，将负极片烘烤干后制备得负极极片厚度平均为200um，负极面密度平均为20mg/cm²；

（c）按照上述方法制备得合格的正极极片和负极极片，再经过辊压、制片、叠片、烘烤、注液、化成、检测等工序制备得锂离子电池容量为6.5ah，检测循环寿命2700次循环容量保持85%以上，而且一致性很好。

实施例三：

（a）、正极片制备：

（a1）、将铜箔或者铝箔牵过自动放卷系统a、牵引机构b、涂布机头c、立式垂直烘箱d、牵引机构b、自动收卷系统e；

（a2）、按照正极活性物质三元材料96%、sp导电剂1%、pvdf聚偏氟乙烯2%的质量百分比,再按照上述固含量为75%添加nmp甲基吡咯烷酮，混合搅拌得出分散均匀的正极浆料；

（a3）、将搅拌均匀的正极浆料放在涂布机头c的料槽c3内；

（a4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布相关参数：同时双面连续涂布走速为50m/min、立式垂直烘箱d温度设置控制在150℃，将正极片烘烤干后制备得正极极片厚度平均为220um，面密度平均为40mg/cm²；

（b）、负极片制备：

（b1）、将铜箔或者铝箔牵过自动放卷系统a、牵引机构b、涂布机头c、立式垂直烘箱d、牵引机构b、自动收卷系统e；

（b2）、按照负极活性物质硅碳95%、sp导电剂2%、cmc羧甲基纤维素钠1%、sbr丁苯橡胶2%的质量百分比，再按照上述固含量为56%添加去离子水，混合搅拌得出分散均匀负极浆料；

（b3）、将搅拌均匀的负极浆料放在涂布机头c的料槽c3内；

（b4）、根据工艺要求设置调整同时双面连续涂布相关参数：同时双面连续涂布走速为50m/min、立式垂直烘箱d温度设置控制在150℃，将负极片烘烤干后制备得负极极片厚度平均为200um，负极面密度平均为20mg/cm²；

（c）按照上述方法制备得合格的正极极片和负极极片，再经过辊压、制片、叠片、烘烤、注液、化成检测等工序制备得锂离子电池容量为大于9.5ah，检测循环寿命2700次循环容量保持85%以上，而且一致性很好。

如图8、图9、图10、图11所示，将用以上所述设备和方法制备的锂离子电池、极片进行检测，锂离子电池极片厚度均匀，面密度一致，锂电池容量高，一致性好，循环长，而且该双面连续涂布机能够适用不同的材料体系。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。