一种负极极片覆锂系统装置及其覆锂方法与流程

文档序号：26054899发布日期：2021-07-27 15:32阅读：105来源：国知局

本发明属于电池技术领域，涉及负极极片覆锂，尤其涉及一种负极极片覆锂系统装置及其覆锂方法。

背景技术：

锂离子电池在消费电子和新能源汽车领域的应用越来越广泛，电池的能量密度和循环寿命是当前锂离子电池的重要关注点，通过在负极极片预先覆锂的方法，可以提高电池的首次充电效率、能量密度和循环寿命。

负极极片制作的电池在化成激活和循环使用时，副反应会造成电解液中一部分锂源的损失，造成电池首效较低以及电池的循环性能衰退较快。主要通过添加正极补锂添加剂和负极物理覆锂的方法进行负极覆锂化，此方法能有效提高电池的循环性能和首效，但是负极极片覆锂不均匀，容易导致电池在使用过程中析锂。

cn209169291u公开了一种极片预锂装置，极片预锂装置包括：喷涂装置，喷涂装置用于朝向极片喷涂预锂粉，喷涂装置包括：储料罐；喷头，喷头与储料罐相连以朝向极片喷涂预锂粉，喷头和储料罐之间设有用于调整喷头喷出压力的压力调整装置；惰性气体保护装置，惰性气体保护装置用于在喷涂预锂粉时防止锂粉与空气接触；极片收放装置；辊轧装置设于喷头下游以对喷涂有预锂粉的极片进行辊轧。该极片预锂装置可以向极片进行喷涂预锂粉，使极片的表面形成锂粉层。但是采用喷涂的形式依然存在覆锂不均匀和不稳定的问题。

cn209487602u公开了一种锂离子电池负极片分步预锂化的装置，所述装置包括用于对锂离子电池负极片进行分步预锂化的第一预锂化单元、第二预锂化单元和末位预锂化单元至少三个预锂化单元，按照对锂离子电池负极片进行分步预锂化工艺的先后顺序方向，所述第一预锂化单元、所述第二预锂化单元依次排列，其余所述预锂化单元排列于所述第二预锂化单元之后，其中，所述末位预锂化单元排列于最末位。所述装置通过对锂离子电池负极片分步预锂化，多次预锂保证锂离子电池负极片的均匀补锂和精确补锂，但是多次分步预锂，工艺复杂，不易于工业化。

cn209217136u公开了一种锂离子电池电极连续预锂化装置，包括电池极片和金属锂带，所述电池极片通过装有含锂盐的有机溶剂的湿化处理箱连接至预锂化区，所述金属锂带通过金属锂带输送装置连接至预锂化区，在预锂化区中，电池极片与金属锂带紧密接触，经过预锂化区的金属锂带连接至金属锂带回收装置，经过预锂化区的电池极片经过连接辊连接至装有含锂盐的有机溶剂的洗涤箱，经过洗涤箱的电池极片连接至干燥处理箱，经过干燥处理箱的电池极片连接至整形辊。

现有覆锂装置均存在结构复杂、覆锂不均匀或不稳定的问题，因此，如何在保证覆锂装置具有结构简单和工艺简单的情况下，还能够对极片覆锂均匀和覆锂稳定，成为目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种负极极片覆锂系统装置及其覆锂方法，通过对负极极片与锂源连通形成原电池，并通过电流调节器对负极极片与锂源之间的电流进行调节，对负极极片进行覆锂，覆锂方法简单，无需外接电源，覆锂后经过超声清洗，使覆锂后的负极极片覆锂均匀和覆锂稳定，本发明具有结构简单、覆锂厚度可调节和易于工业化等特点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种负极极片覆锂系统装置，所述的系统装置包括覆锂装置和清洗装置，所述的覆锂装置包括注入有电解液的壳体，所述壳体内设置至少一个导向辊，所述壳体内还设置浸入电解液的锂源，所述壳体的进料端设置有进料导电辊，所述进料导电辊与锂源电性连接，所述进料导电辊与锂源电性连接的线路上设置电流调节器，负极极片绕过所述进料导电辊与导向辊，浸入电解液中，负极极片经所述进料导电辊与锂源电性连接进行覆锂；所述清洗装置内设置有超声发生器，覆锂后的负极极片进入清洗装置清洗。

本发明中，负极极片与锂源连通形成原电池，并通过电流调节器对负极极片与锂源之间的电流进行调节，无需外接电源对极片进行电化学覆锂，负极极片两侧覆锂均匀且稳定，进一步地，通过调整电流大小和时间，能够对覆锂量精确控制；此外，在电化学覆锂的过程中，负极极片与电解液接触的界面上同时发生副反应，形成sei膜，在电池化成时，能够降低电解液和正极材料中活性锂的消耗，有效提高电池的首次库伦效率和后期的循环性能，本发明覆锂的负极极片经过超声清洗后，使负极极片覆锂均匀和覆锂稳定，具有结构简单、覆锂厚度可调节和易于工业化等特点。

需要说明的是，本发明对电性连接的方式不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据操作需要合理选择电性连接的方式，例如，电性连接为导线连接。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的系统装置还包括放卷装置、干燥装置和收卷装置，沿负极极片的加工方向，所述系统装置包括依次设置的放卷装置、覆锂装置、清洗装置干燥装置和收卷装置。

优选地，所述的清洗装置内注入有清洗剂。

优选地，所述的放卷装置包括放卷支架，所述放卷支架上设置有放卷辊以及张力辊组件，所述放卷辊上绕设有负极极片，所述放卷辊放卷出负极极片，并绕过张力辊组件，负极极片进入覆锂装置，绕过所述进料导电辊。

优选地，所述的张力辊组件包括固定设置于所述放卷支架上的固定辊，以及至少一个滑动设置于所述放卷支架上的调节辊，确定所述调节辊位置，固定并与所述固定辊配合，调节负极极片的张力。

优选地，所述放卷支架上竖直设置有滑轨，所述调节辊滑动设置于所述滑轨上，所述调节辊连接有提升器，所述提升器用于带动所述调节辊沿滑轨运动。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的锂源包括锂块和/或锂板。

优选地，所述的进料导电辊包括进料上辊和进料下辊，所述进料上辊和进料下辊压合所述的负极极片，所述锂源与所述的进料上辊电性连接。

优选地，所述进料上辊和进料下辊的材质均为导电橡胶。

优选地，所述导向辊在壳体内交错设置，负极极片绕所述导向辊在壳体内呈蛇形排布。

优选地，所述导向辊在所述锂源的两侧均交错排布，所述负极极片在锂源的两侧均呈蛇形排布。

优选地，所述负极极片绕过所述导向辊，所述负极极片沿竖直方向呈蛇形运动。

本发明通过负极极片蛇形运动，从而最大程度的使负极极片浸入电解液中，节省装置占地面积。

优选地，所述壳体上设置有液位传感器，所述液位传感器用于检测壳体内电解液的液位高度。

优选地，所述壳体外接有储存电解液的储液罐，所述储液罐与壳体连接的管路上设置有电磁阀。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的干燥装置包括箱体，所述箱体内设置有加热器。

优选地，所述箱体内设置有温度传感器。

优选地，所述箱体位于负极极片的出料端开设有进风口，所述箱体位于负极极片的进料端开设有出风口。

优选地，所述出风口连接有废气处理器。

优选地，所述收卷装置包括收卷辊。

优选地，所述收卷装置也设置有张力辊组件。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的系统装置还包括动力装置，所述的动力装置包括分别独立与放卷辊和收卷辊连接的驱动件，所述驱动件分别带动所述放卷辊和收卷辊转动。

优选地，所述的动力装置还包括位于所述储液罐与壳体连接管路上的溶液泵。

优选地，所述动力装置还包括接入所述进风口的风机。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的系统装置还包括控制装置，所述控制装置分别独立电性连接所述的电流调节器、超声发生器、提升器和驱动件，所述控制装置分别控制电流调节器的调节电流、超声发生器的功率、提升器的运动以及驱动件的转速。

优选地，所述控制装置还分别独立电性连接所述的温度传感器、加热器和风机，所述控制装置接收所述温度传感器的温度信号，并反馈控制加热器的加热温度和风机的风量。

优选地，所述控制装置还分别独立电性连接所述液位传感器、电磁阀和溶液泵，所述控制装置接收所述液位传感器的液位信号，并反馈控制电磁阀的开启和溶液泵的流量。

第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的负极极片覆锂系统装置对负极极片进行覆锂的方法，所述的方法包括：

负极极片依次绕过进料导电辊和导向辊浸入电解液，并经进料导电辊与锂源电性连通形成原电池，电流调节器调节负极极片与锂源之间的电流进行覆锂，覆锂后的负极极片进入清洗装置进行超声清洗，得到覆锂的负极极片。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的方法具体包括以下步骤：

(ⅰ)负极极片绕过调节辊和固定辊，提升器调整调节辊位置，撑紧负极极片，负极极片由进料上辊和进料下辊压合，并绕过导向辊浸入电解液，浸入电解液的负极极片与锂源形成原电池，电流调节器调节负极极片与锂源之间的电流进行覆锂，覆锂的负极极片进行超声清洗，清洗后进入干燥装置，并由收卷辊收卷，干燥产生的废气进入废气处理器；

(ⅱ)液面传感器检测到液位低于液位下限值时，控制装置控制打开溶液泵和电磁阀，由储液罐向壳体内注入电解液，使壳体内电解液的液位低于液位上限值。

作为本发明的一个优选技术方案，步骤(ⅰ)中，所述的控制装置调节放卷辊的转速和收卷辊的转速，所述覆锂过程间歇或连续进行。

优选地，所述覆锂过程中，所述调节的步骤包括至少一次电流调节。

优选地，所述调节的步骤包括至少两次电流调节。

优选地，每一次所述电流调节的电流依次增大。

优选地，每一次所述电流调节的时间依次增大。

优选地，所述电流调节的范围为0.005～1c，例如电流为0.005c、0.05c、0.10c、0.15c、0.20c、0.25c、0.30c、0.35c、0.40c、0.45c、0.50c、0.55c、0.60c、0.65c、0.70c、0.75c、0.80c、0.85c、0.90c、0.95c或1.00c。

本发明通过对电流调节中电流强度和时间进行控制，从而对覆锂量进行精确控制，并能保证覆锂的均匀性，若电流调节至小于0.005c，则存在需要长时间的覆锂，影响极片制备效率；若电流调节至大于1c，则存在覆锂过程中电流过大，导致sei膜形成致密而使极片电阻变大，对电池的倍率有影响，覆锂效果差。

优选地，所述电流调节的时间为0～3h，但不包括0，例如，时间为0.01h、0.1h、0.2h、0.5h、1.0h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h、2.0h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h或3.0h。

优选地，所述覆锂过程在保护性气氛下进行。

优选地，所述保护性气氛包括氮气和/或氩气。

优选地，所述超声的频率为10～50khz，例如，频率为10khz、15khz、20khz、25khz、30khz、35khz、40khz、45khz或50khz。

本发明通过控制超声的频率为10～50khz，通过超声对覆锂的负极极片进一步地清洗，不仅能够对负极极片上残留的电解液208清洗，还能够强化覆锂与负极极片的结合效果。若超声的频率低于10khz，则对负极极片清洗不完全，制备成电池的首效低和循环性能衰退；若超声的频率高于50khz，对于剥离力小的负极极片，容易造成活性物质脱落的问题，影响覆锂效果。

优选地，所述超声的功率为10～100w，例如，功率为10w、20w、30w、40w、50w、60w、70w、80w、90w或100w。

优选地，步骤(ⅱ)中，所述液位下限值位于最顶层所述导向轨的截面圆最低点所在水平面。

优选地，所述液位上限值位于最顶层所述导向轨的截面圆最高点所在水平面。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的方法具体包括以下步骤：

(ⅰ)负极极片绕过调节辊和固定辊，提升器调整调节辊位置，撑紧负极极片，负极极片由进料上辊和进料下辊压合，并绕过导向辊浸入电解液，浸入电解液的负极极片与锂源形成原电池，在保护气氛下，电流调节器至少两次调节负极极片与锂源之间的电流进行覆锂，电流调节的范围为0.005～1c，时间为0～3h，每次电流调节的电流和时间均依次增大，控制装置调节放卷辊的转速和收卷辊的转速，所述覆锂过程间歇或连续进行，覆锂的负极极片进行超声清洗，超声的频率为10～50khz，功率为10～100w，清洗后进入干燥装置后由收卷辊收卷，干燥产生的废气进入废气处理器；

(ⅱ)液面传感器检测到液位低于最顶层所述导向轨的截面圆最低点所在水平面时，控制装置控制打开溶液泵和电磁阀，由储液罐向壳体内注入电解液，使壳体内电解液的液位低于最顶层所述导向轨的截面圆最高点所在水平面。

本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明中，负极极片与锂源连通形成原电池，并通过电流调节器对负极极片与锂源之间的电流进行调节，无需外接电源对极片进行电化学覆锂，负极极片两侧覆锂均匀且稳定，进一步地，通过调整电流大小和时间，能够对覆锂量精确控制；此外，在电化学覆锂的过程中，负极极片与电解液接触的界面上同时发生副反应，形成sei膜，在电池化成时，能够降低电解液和正极材料中活性锂的消耗，有效提高电池的首次库伦效率和后期的循环性能，本发明覆锂的负极极片经过超声清洗，使负极极片覆锂均匀和覆锂稳定，具有结构简单、覆锂厚度可调节和易于工业化等特点。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式中提供的负极极片覆锂系统装置的结构示意图。

其中，100-放卷装置；101-放卷辊；102-调节辊；103-固定辊；200-覆锂装置；201-进料导电辊；202-导线；203-电流调节器；204-锂源；205-液位传感器；206-导向辊；207-壳体；208-电解液；209-电磁阀；210-储液罐；211-溶液泵；300-清洗装置；400-干燥装置；401-进风口；402-箱体；403-出风口；500-废气处理器；600-收卷装置；601-收卷辊。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种负极极片覆锂系统装置，如图1所示，所述的系统装置包括覆锂装置200和清洗装置300，覆锂装置200包括注入有电解液208的壳体207，壳体207内设置至少一个导向辊206，壳体207内还设置浸入电解液208的锂源204，壳体207的进料端设置有进料导电辊201，进料导电辊201与锂源204电性连接，进料导电辊201与锂源204电性连接的线路上设置电流调节器203，负极极片绕过进料导电辊201与导向辊206，浸入电解液208中，负极极片经进料导电辊201与锂源204电性连接进行覆锂；清洗装置300内设置有超声发生器，覆锂后的负极极片进入清洗装置300清洗，可选地，电性连接为导线202连接。

本发明中，负极极片与锂源204连通形成原电池，并通过电流调节器203对负极极片与锂源204之间的电流进行调节，无需外接电源对极片进行电化学覆锂，负极极片两侧覆锂均匀且稳定，进一步地，通过调整电流大小和时间，能够对覆锂量精确控制；此外，在电化学覆锂的过程中，负极极片与电解液208接触的界面上同时发生副反应，形成sei膜，在电池化成时，能够降低电解液208和正极材料中活性锂的消耗，有效提高电池的首次库伦效率和后期的循环性能，本发明覆锂的负极极片经过超声清洗后，使负极极片覆锂均匀和覆锂稳定，具有结构简单、覆锂厚度可调节和易于工业化等特点。

进一步地，所述的系统装置还包括放卷装置100、干燥装置400和收卷装置600，沿负极极片的加工方向，系统装置包括依次设置的放卷装置100、覆锂装置200、清洗装置300干燥装置400和收卷装置600。更进一步地，清洗装置300内注入有清洗剂。

进一步地，放卷装置100包括放卷支架，放卷支架上设置有放卷辊101以及张力辊组件，放卷辊101上绕设有负极极片，放卷辊101放卷出负极极片，并绕过张力辊组件，负极极片进入覆锂装置200，绕过所述进料导电辊201。

进一步地，张力辊组件包括固定设置于放卷支架上的固定辊103，以及至少一个滑动设置于放卷支架上的调节辊102，确定调节辊102位置，固定并与固定辊103配合，调节负极极片的张力。

进一步地，放卷支架上竖直设置有滑轨，调节辊102滑动设置于所述滑轨上，调节辊102连接有提升器，提升器用于带动调节辊102沿滑轨运动。

进一步地，锂源204包括锂块和/或锂板。进料导电辊201包括进料上辊和进料下辊，进料上辊和进料下辊压合所述的负极极片，锂源204与所述的进料上辊电性连接。更进一步地，进料上辊和进料下辊的材质均为导电橡胶。

进一步地，导向辊206在壳体207内交错设置，负极极片绕导向辊206在壳体207内呈蛇形排布。更进一步地，导向辊206在所述锂源204的两侧均交错排布，负极极片在锂源204的两侧均呈蛇形排布。负极极片绕过导向辊206，负极极片沿竖直方向呈蛇形运动。本发明通过负极极片蛇形运动，从而最大程度的使负极极片浸入电解液208中，节省装置占地面积。

进一步地，壳体207上设置有液位传感器205，液位传感器205用于检测壳体207内电解液208的液位高度。壳体207外接有储存电解液208的储液罐210，储液罐210与壳体207连接的管路上设置有电磁阀209。

进一步地，干燥装置400包括箱体402，箱体402内设置有加热器。箱体402内设置有温度传感器。箱体402位于负极极片的出料端开设有进风口401，箱体402位于负极极片的进料端开设有出风口403。出风口403连接有废气处理器500。

进一步地，收卷装置600包括收卷辊601。更进一步地，收卷装置600也设置有张力辊组件。

进一步地，所述的系统装置还包括动力装置，动力装置包括分别独立与放卷辊101和收卷辊601连接的驱动件，驱动件分别带动放卷辊101和收卷辊601转动。更进一步地，动力装置还包括位于所述储液罐210与壳体207连接管路上的溶液泵211，以及接入进风口401的风机。

进一步地，所述的系统装置还包括控制装置，控制装置分别独立电性连接所述的电流调节器203、超声发生器、提升器和驱动件，控制装置分别控制电流调节器203的调节电流、超声发生器的功率、提升器的运动以及驱动件的转速。

进一步地，控制装置还分别独立电性连接温度传感器、加热器和风机，控制装置接收温度传感器的温度信号，并反馈控制加热器的加热温度和风机的风量。

进一步地，控制装置还分别独立电性连接液位传感器205、电磁阀209和溶液泵211，控制装置接收液位传感器205的液位信号，并反馈控制电磁阀209的开启和溶液泵211的流量。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种采用上述的负极极片覆锂系统装置对负极极片进行覆锂的方法，所述的方法包括：

(ⅰ)负极极片绕过调节辊102和固定辊103，提升器调整调节辊102位置，撑紧负极极片，负极极片由进料上辊和进料下辊压合，并绕过导向辊206浸入电解液208，浸入电解液208的负极极片与锂源204形成原电池，在保护气氛下，电流调节器203至少两次调节负极极片与锂源204之间的电流进行覆锂，电流调节的范围为0.005～1c，时间为0～3h，每次电流调节的电流和时间均依次增大，控制装置调节放卷辊101的转速和收卷辊601的转速，所述覆锂过程间歇或连续进行，覆锂的负极极片进行超声清洗，超声的频率为10～50khz，功率为10～100w，清洗后进入干燥装置400后由收卷辊601收卷，干燥产生的废气进入废气处理器500；

(ⅱ)液面传感器检测到液位低于最顶层所述导向轨的截面圆最低点所在水平面时，控制装置控制打开溶液泵211和电磁阀209，由储液罐210向壳体207内注入电解液208，使壳体207内电解液208的液位低于最顶层所述导向轨的截面圆最高点所在水平面。

下述实施例和对比例中，浸入电解液208的负极极片面积为600mm*50mm，石墨克容量为343mah/g。

实施例1

本实施例提供了一种负极极片覆锂系统装置，基于一个具体实施方式中所述的系统装置，其中，壳体207内设置六个导向辊206，张力辊组件包括一个滑动设置于放卷支架上的调节辊102。