干法电极生产方法以及装置与流程

1.本发明涉及锂离子电池电极生产技术领域，具体地说，涉及一种干法电极生产方法以及装置。


背景技术：

2.传统的锂离子电池电极都是采用包括涂布和烘干等工艺相结合的湿法工艺，存在工艺路线长，生产效率低；设备复杂，能耗高，尤其是烘干部分所消耗的能耗。并且生产过程中的有机溶剂污染排放问题，环保性较差；电极压实度较低等缺点。由于湿法成型工艺使用了溶剂，与粘结剂形成粘结剂层，活性材料整个颗粒被粘结剂层包围，阻碍了活性材料之间以及与导电剂颗粒间的接触，电极导电性差，而且电极中残留的溶剂会与电解液发生副反应，导致电池性能下降，如容量降低、产生气体、寿命衰减等。
3.而干法成型工艺过程中不使用溶剂，粘结剂是以纤维状态存在，活性材料之间以及活性材料与导电剂颗粒接触更为紧密，电极密度大、导电性好、容量高。干法成型工艺不使用任何溶剂，是一种环境友好的绿色工艺，并节省了材料、时间和人工等生产成本，具有较高的商业实际应用价值。所以，目前该领域逐渐开始采用干法工艺生产锂离子电池电极。
4.但是现有技术中的电极生产干法工艺，存在生产过程中电极材料和导电剂等粒径分布范围大，不容易混合均匀；以及粘结剂取向难度高，对工艺条件要求苛刻，不容易充分取向等缺点；从而使得电极片的生产质量无法得到保证。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种干法电极生产方法以及装置，实现原料混合均匀以及粘结剂充分取向，利于提高锂离子电池电极片的生产质量。
6.根据本发明的一个方面，提供一种干法电极生产方法，包括以下步骤：
7.s110，对预设活性材料和导电剂分别进行分级处理，对原料依次进行干燥处理和混合处理，得到初始混合物料；所述原料由分级处理后保留的预设活性材料、导电剂以及分子量大于第一预设阈值的粘结剂组成；
8.s120，对所述初始混合物料进行分子取向处理，得到目标混合物料；
9.s130，利用加热辊对所述目标混合物料进行热压成型处理，形成电极膜；以及
10.s140，利用所述加热辊将所述电极膜和集流体进行压合，得到电极片。
11.可选地，步骤s110包括：
12.对干燥处理后得到的干燥物料以低于第一预设温度的环境条件进行混合处理，得到初始混合物料。
13.可选地，步骤s110和步骤s120之间还包括步骤：
14.对所述初始混合物料以第二预设温度的环境条件进行保温处理；所述第二预设温度大于所述第一预设温度。
15.可选地，步骤s110包括：
16.将所述预设活性材料和所述导电剂进行混合，得到第一混合物料；
17.将所述第一混合物料和所述粘结剂进行混合，得到初始混合物料。
18.可选地，所述加热辊为电磁感应加热辊，所述加热辊在工艺温度下的真圆度小于等于第二预设阈值；所述加热辊在工作宽幅内的温度分布精度为第三预设阈值。
19.可选地，步骤s130包括：
20.利用第一加热辊和第二加热辊对所述目标混合物料进行热压处理，得到初始极膜；
21.利用所述第二加热辊和第三加热辊对所述初始极膜进行整形处理，得到电极膜；所述第一加热辊、所述第二加热辊和所述第三加热辊形成三角形结构。
22.可选地，所述第一加热辊和所述第二加热辊的旋转线速度不同，所述第二加热辊和所述第三加热辊的旋转线速度相同。
23.可选地，步骤s120包括：
24.利用超音速气流对所述初始混合物料进行剪切分散处理，获得目标混合物料；其中，所述初始混合物料的进料速度的取值区间为1～200升/小时，所述超音速气流的压力的取值区间为0.5mpa～1.2mpa，所述超音速气流的流速的取值区间为1～45m3/min。
25.可选地，所述粘结剂为含氟聚合物。
26.根据本发明的另一个方面，提供一种干法电极生产装置，用于实现上述任一干法电极生产方法，所述装置包括：
27.混合机组，用于对预设活性材料和导电剂分别进行分级处理，对原料依次进行干燥处理和混合处理，得到初始混合物料；所述原料由分级处理后保留的预设活性材料、导电剂以及分子量大于第一预设阈值的粘结剂组成；
28.分子取向机组，用于对所述初始混合物料进行分子取向处理，得到目标混合物料；
29.热压成型机组，利用加热辊对所述目标混合物料进行热压成型处理，形成电极膜；以及
30.复合机组，利用所述加热辊将所述电极膜和集流体进行压合，得到电极片。
31.可选地，所述混合机组包括第一分级单元、第一混合单元和第二混合单元；所述第一分级单元用于对预设活性材料和导电剂分别进行分级处理；所述第一混合单元用于对分级处理后保留的预设活性材料和导电剂进行混合，得到第一混合物料；所述第二混合单元用于将所述第一混合物料和所述粘结剂进行混合，得到初始混合物料。
32.可选地，所述加热辊为电磁感应加热辊，所述加热辊在工艺温度下的真圆度小于等于第二预设阈值；所述加热辊在工作宽幅内的温度分布精度为第三预设阈值。
33.可选地，所述热压成型机组包括成三角形结构分布的第一加热辊、第二加热辊和第三加热辊；
34.所述第一加热辊和所述第二加热辊对所述目标混合物料进行热压处理，得到初始极膜；
35.所述第二加热辊和所述第三加热辊对所述初始极膜进行整形处理，得到电极膜。
36.可选地，所述第一加热辊和所述第二加热辊的旋转线速度不同，所述第二加热辊和所述第三加热辊的旋转线速度相同。
37.可选地，所述分子取向机组利用超音速气流对所述初始混合物料进行剪切分散处
理，获得目标混合物料；其中，所述初始混合物料的进料速度的取值区间为1～200升/小时，所述超音速气流的压力的取值区间为0.5mpa～1.2mpa，所述超音速气流的流速的取值区间为1m3/min～45m3/min。
38.本发明与现有技术相比的有益效果在于：
39.本发明提供的干法电极生产方法以及装置采用干法混料和热压延成膜的方式制作成所需要的电池正负极片，工艺过程简单，利于提高电极片的生产效率；基于分级处理选取适当范围内的预设活性材料，利于实现原料混合均匀而避免发生相分离或者相包围；另一方面筛选的粘结剂可以充分取向；从而使得锂离子电池电极片的生产质量得到保证。
附图说明
40.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本发明一实施例公开的一种干法电极生产装置的结构示意图；
42.图2为本发明一实施例公开的一种干法电极生产方法的流程示意图；
43.图3为本发明一实施例公开的一种干法电极生产装置中热压成型机组的部分结构的示意图；
44.图4为本发明另一实施例公开的一种干法电极生产装置中热压成型机组的部分结构的示意图；
45.图5为本发明一实施例公开的一种干法电极生产装置中复合机组的示意图；
46.图6为本发明另一实施例公开的一种干法电极生产方法的流程示意图；
47.图7为本发明另一实施例公开的一种干法电极生产方法的流程示意图；
48.图8为本发明另一实施例公开的一种干法电极生产装置中热压成型机组的部分结构的示意图；
49.图9为本发明另一实施例公开的一种干法电极生产方法的流程示意图。
具体实施方式
50.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料、装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
51.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”、“具有”以及“设有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
52.本发明一实施例公开了一种干法电极生产方法和干法电极生产装置，该方法和装置用于采用干法工艺生产锂离子电池的电极。参考图1，上述干法电极生产装置1包括：混合机组11、分子取向机组12、热压成型机组13和复合机组14。
53.参考图2，上述干法电极生产方法包括以下步骤：
54.s110，混合机组对预设活性材料和导电剂分别进行分级处理，对原料依次进行干燥处理和混合处理，得到初始混合物料。上述原料由分级处理后保留的预设活性材料、导电剂以及分子量大于第一预设阈值的粘结剂组成。需要说明的是，本技术中上述粘结剂为粉末状树脂，并不是颗粒状或者乳液形式的，这样便于后续分子取向网络结构的形成，利于对分子取向程度的把控，从而利于保证电极的生产质量。示例性地，上述预设活性材料可以包括镍钴锰酸锂。
55.示例性地，具体实施时，上述干燥处理操作可以为分别对预设活性材料和导电剂进行脱水处理。比如对预设活性材料采用120℃真空烘烤2小时。对导电剂采用200℃真空烘烤2小时。
56.本实施例中，上述混合机组包括第一混合单元和第二混合单元。该步骤s110包括：
57.第一混合单元将分级处理后保留的预设活性材料和分级处理后保留的导电剂进行混合，得到第一混合物料。
58.第二混合单元将上述第一混合物料和上述粘结剂进行混合，得到初始混合物料。
59.也即，先将预设活性材料和导电剂慢搅混合、再加入粘结剂粉末进行混合，这样利于保证混合粉末的混合处理质量，从而利于保证电极的生产质量。上述干燥后的物料为干态物料。
60.本实施例中，上述粘结剂为氟基聚合物，包括但不限于ptfe、fep、pfa、pvdf以及pfpa等聚合物。作为一优选实施例，上述粘结剂为ptfe树脂，即聚四氟乙烯树脂。该粘结剂可以便于后续控制粘结剂的分子取向程度，从而便于控制电极的生产质量。示例性地，上述第一预设阈值可以为400万，本技术不以此为限。
61.作为一较佳的实施例，上述含氟聚合物粘结剂的分子量为400万～1200万；拉伸强度为22～31mpa；断裂伸长率为285％～310％；且体积密度为380～490g/l。本技术不以此为限。
62.s120，分子取向机组对上述初始混合物料进行分子取向处理，得到目标混合物料。具体实施时，上述目标混合物料为絮团状物料。该步骤中，分子取向机组利用超音速气流对上述混合物料进行剪切分散处理，获得目标混合物料。其中，上述初始混合物料的进料速度的取值区间为1～200升/小时，超音速气流的空气压力的取值区间为0.5mpa～1.2mpa，超音速气流的流速的取值区间为1～45m3/min。本技术上述对进料速度的控制、空气压力的控制和/或空气流速的控制，均有利于控制物料的分子取向程度在一个合适的区间内，从而利于保证锂离子电池的电极生产质量。
63.具体实施时，分子取向机组可以包含有气源模块、加料模块、粉碎模块、产品分级模块、产品收集模块以及气源循环模块组成。气源模块提供的预设区间的压力和流量的洁净压缩空气或者氮气，和加料模块提供的絮团状物料在粉碎模块中混合形成气固二相流，由喷嘴产生的超音速气流对絮团状物料施加强大的剪切力、摩擦力、高频振动等物理作用，获取均匀的混合粉体。然后由产品分级模块将达到预设细度的微粒从粉碎室中分离出去，
并由产品收集模块对分离出去的微粒收集包装。
64.需要说明的是，在其他实施例中，实施该步骤时，也可以采用强力混合机或者捏合机对上述初始混合物料进行分子取向处理。本技术对此不作限制。
65.s130，热压成型机组利用加热辊对上述目标混合物料进行热压成型处理，形成电极膜。
66.具体实施时，由于加热辊均是由金属材料制作，受热后膨胀产生的形变程度不均匀，这些不均匀的形变将会影响辊压后制成的产品精度。因此本技术中上述加热辊为电磁感应加热辊，且加热辊在工艺温度下的真圆度小于等于第二预设阈值。上述加热辊在工作宽幅内的温度分布精度为第三预设阈值。也即，上述加热辊为高精度电磁加热辊。这样可以实现利用高精度电磁加热辊进行加热，利于保证温度的精确度，避免因温度的差别引起的热形变量，从而利于保证电极的生产质量。
67.具体而言，上述高精度电磁加热辊工作过程中，首先对加热辊自身进行加热，加热至加热辊的工作温度时，对加热辊测量多组参数，在测量的参数保持不变时停止加热。然后对加热辊冷却，并将冷却后的加热辊用轴承托架安装在磨床导轨上。接着对加热辊再次进行加热升温，加热至加热辊的工作温度，同时对轴承托架和磨床上的砂轮进行冷却。磨床带动加热辊旋转，磨床上砂轮对加热辊表面进行磨削，砂轮上的冷却组件对砂轮本身进行冷却。这样即实现在研磨时对砂轮进行冷却，能够及时带走多余的热量，提高加热辊辊体在工艺温度下的真圆度。上述测量参数包括但不限于加热辊的圆跳动、圆柱度以及直线度。
68.因此，本技术先将加热辊加热到工作温度，释放加热辊因辊体材料在微观上不均匀而导致的变形误差。然后进行热研磨，模拟加热辊的工作状态，砂轮对加热辊的辊面进行研磨，磨至一定的直径要求；研磨时，砂轮与加热辊的辊面接触产生热量，局部的热量积累导致加热辊的表面不均匀的变形，从而影响研磨精度，本技术针对砂轮和轴承托架进行冷却，能够及时带走多余的热量，这样可以保证加热辊在高温下也能达到0.005mm以内在工艺温度下的真圆度，可以满足各种高精度的使用需求。
69.示例性地，工艺温度下，上述第二预设阈值可以为0.005mm，第三预设阈值可以为1.0℃。即上述加热辊在工艺温度下的真圆度不大于0.005mm；在工作宽幅内的温度分布精度为
±
1.0℃。本技术不以此为限。本技术对热压成型机组内加热辊的数量和排布方式同样不作限制。
70.该步骤在实施过程中，利用自动定量粉体输送机构，用把目标混合物料定量连续撒至加热辊，实现粉体输送。利用电机结合减速机驱动加热辊，进行传动。每组加热辊独立传动，根据生产工艺需要来调节速度，可同速运行，也可以设置为差速运行。加热辊组之间设置楔块调节两辊间隙，配置位移传感器把辊体间距信息反馈至控制系统，输出至显示屏便于读取，从而便于进行调节每一组加热辊中两辊的间隙。
71.本实施例中，上述热压成型机组的部分结构可以参考图3或图4的组成方式。图3中，热压成型机组包括有热压机组31。并且热压机组31包含有至少一个加热辊组。示例性地，每一个加热辊组中的两个加热辊32设为水平排列。粉体输送机构33输送的物料进入热压机组31热压之后，并经过收卷机构35进行收卷，得到电极膜34。图4中，热压成型机组包括有热压机组31和整形机组41。并且热压机组31和整形机组41分别包含有至少一个加热辊组。示例性地，热压机组31中每一个加热辊组中的两个加热辊32设为水平排列。整形机组41
中每一个加热辊组中的两个加热辊32设为竖直排列。粉体输送机构33输送的物料进入热压机组31热压之后，可以经过整形机组41进行整形，并经过收卷机构35进行收卷，得到成品电极膜34。
72.需要说明的是，在其他实施例中，上述加热辊也可以采用导热油加热或电加热的加热方式，本技术对此不作限制。
73.s140，复合机组利用上述加热辊将电极膜和集流体进行压合，得到电极片。参考图5，利用复合机组51对电极膜34和集流体52进行压合，集流体可以为金属箔。复合机组51内包含有至少一个加热辊组。每一个加热辊组包含上下分布的两个加热辊53。复合之后，即得到成品的电极片54。需要说明的是，本技术对复合机组51内的加热辊组数量并不作限制。复合机组51内的加热辊的工作温度可以为50～260℃，工作压力可以为3t～50t。本技术不以此为限。
74.在本技术的另一实施例中，在上述图1对应实施例的基础上，如图6所示，将步骤s110替换为步骤s111：对多种原料依次进行干燥处理，对干燥处理后得到的干态物料以低于第一预设温度的环境条件进行混合处理，得到初始混合物料。
75.在步骤s110和步骤s120之间还包括步骤s150：对上述初始混合物料以第二预设温度的环境条件进行保温处理。上述第二预设温度大于上述第一预设温度。也即，保温处理的温度大于低温混合过程的温度，经过保温处理，便于进行后续的分子取向，利于提高极片生产质量。
76.示例性地，上述第一预设温度可以为18℃，第二预设温度可以为50℃。本技术不以此为限。具体实施时，可以为对上述干态物料在0-18℃的温度条件进行混合处理。可以为对上述初始混合物料以30～100℃的温度条件进行保温处理，保温时间为5～40min。本技术对此不作限制。
77.在本技术的另一实施例中，在上述图1对应实施例的基础上，上述混合机组包括第一分级单元。如图7所示，将步骤s110替换为步骤s112：第一分级单元对预设活性材料和导电剂分别进行分级处理，然后混合机组对预设活性材料和导电剂分别进行分级处理，对原料依次进行干燥处理和混合处理，得到初始混合物料。也即，将满足预设细度区间内的预设活性材料和导电剂进行保留，参与后续混合步骤。本技术基于分级处理选取适当范围内的粒径的预设活性材料和导电剂，利于实现原料混合均匀而避免发生相分离或者相包围，便于对分子取向程度的把控，从而利于保证电极的生产质量。
78.示例性地，导电剂可以选取保留d50值在5-50nm区间内，且比表面积在100-700m2/g区间内的。当预设活性材料采用licoo2(氧化钴锂)时，可以选取保留d50值在4.00～20um区间内，且比表面积在0.10～0.6m2/g区间内的。当预设活性材料采用ncm时，可以选取保留d50值在5.00～12um区间内，且比表面积在0.2～0.8m2/g区间内的。当预设活性材料采用limn2o4时，可以选取保留d50值在6.00～16um区间内，且比表面积在0.4～0.8m2/g区间内的。
79.在本技术的另一实施例中，在上述图1对应实施例的基础上，步骤s130包括：
80.利用第一加热辊和第二加热辊对上述目标混合物料进行热压处理，得到初始极膜。
81.利用上述第二加热辊和第三加热辊对上述初始极膜进行整形处理，得到电极膜。
参考图8，上述第一加热辊81、上述第二加热辊82和上述第三加热辊83形成三角形结构。也即，热压机组31和整形机组41中部分加热辊共用。这样利于节省热压成型机组的空间和成本，也就利于本技术的干法电极生产装置的小型化设计。示例性地，上述第一加热辊和第二加热辊对目标混合物料进行热压处理的热压温度可以为120～240℃。本技术对此不作限制。上述整形处理比如可以为进行初始极膜的厚度及压实密度的调整。
82.需要说明的是，本技术中，也可直接利用上述初始极膜作为步骤s140的原料输入，和集流体进行压合制作电极片。
83.上述第一加热辊和上述第二加热辊的旋转线速度不同，上述第二加热辊和上述第三加热辊的旋转线速度相同。这样利用转速不同的两个加热辊进行热压，可以产生一个剪切力，使得辊压的电极膜更加均匀，从而利于保证电极的生产质量。具体实施时，当第一加热辊和上述第二加热辊的旋转线速度不同时，可以分为三种情况：对应的辊筒直径相同，转速不同(比如转速比在1:0.7至1:1.5之间)；对应的辊筒直径不同，转速相同；或者对应的辊筒直径和转速均不同。当第二加热辊和第三加热辊的旋转线速度相同时，对应的辊筒直径和转速均相同。
84.需要说明的是，在其他实施例中，上述第一加热辊和上述第二加热辊的旋转线速度也可以设置为相同的，本技术对此不作限制。
85.如图9所示，本发明另一实施例公开了一种干法电极生产方法。该方法包括以下步骤：
86.s910，对预设活性材料和导电剂分别进行分级处理，对原料依次进行干燥处理和混合处理，得到初始混合物料。上述原料由分级处理后保留的预设活性材料、导电剂以及分子量大于第一预设阈值的粘结剂组成。
87.s920，对上述初始混合物料进行分子取向处理，得到目标混合物料。
88.s930，利用加热辊对上述目标混合物料进行热压成型处理，形成电极膜。以及
89.s940，利用上述加热辊将上述电极膜和集流体进行压合，得到电极片。
90.综上，本发明提供的干法电极生产方法以及装置至少具有如下优势：
91.本技术上述实施例公开的干法电极生产方法以及装置采用干法混料和热压延成膜的方式制作成所需要的电池正负极片，工艺过程简单，利于提高电极片的生产效率；基于分级处理选取适当范围内的预设活性材料，利于实现原料混合均匀而避免发生相分离或者相包围；另一方面筛选的粘结剂可以充分取向；并且基于对超音速气流的各个参数进行控制，也有利于粘结剂充分取向，便于对分子取向程度的把控；从而使得锂离子电池电极片的生产质量得到保证。
92.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“底部”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的结构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。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，“若干个”的含义是一个或一个以上。
93.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或者示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或者示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或者示例中以合适的方式结合。
94.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。