一种凝胶聚合物锂离子电池的制备装置的制作方法

本实用新型涉及电池制造技术领域，尤其涉及一种凝胶聚合物锂离子电池的制备装置。

背景技术：

锂离子电池因其能量密度大、工作电压高、循环稳定性好及自放电效应小等优点，广泛运用于消费电子产品、电动交通运输工具和清洁能源储能系统中。传统的锂离子电池存在有机电解液易燃和易泄露的隐患，是引起锂离子电池安全问题的主要原因。与传统锂离子电池相比，凝胶聚合物锂离子电池内部没有自由液体，消除了漏液的隐患，提高了电池耐冲击、振动、变形的性能，同时大大降低了电池在过充放电、短路、针刺等情况下发生燃烧、爆炸等危险，显著提高锂离子电池的安全性能。

目前，在凝胶聚合物锂离子电池制备时，往往采用热聚合工艺，即通过注入电解液，加热烘烤，采用高温引发聚合，来得到凝胶聚合物电池。然而，现有制备方法，当电解液不能很好的浸润到电池中被多孔膜吸收时，很容易造成死区，使得电池性能较差。且采用热引发聚合工艺可能存在发生热胀、热鼓现象而影响电池性能,而且热聚合反应通常不是很彻底,残留的单体反过来会影响整个电池的电化学性能。

也就是说，现有技术中的凝胶聚合物锂离子电池制备装置，由于电解液不能很好的浸润极片，且热聚合工艺弊端多，故存在电池可靠性差的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型通过提供一种凝胶聚合物锂离子电池的制备装置，解决了现有 技术中的凝胶聚合物锂离子电池制备装置，由于电解液不能很好的浸润极片，且热聚合工艺弊端多，故存在电池可靠性差的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下技术方案：

一种凝胶聚合物锂离子电池的制备装置，包括：

容器组，所述容器组包括：两个第一容器和两个第二容器，所述两个第一容器中装有电解液；所述两个第二容器中装有凝胶电解质前驱体液；

两组第一滑轮组，所述两组第一滑轮组上分别卷有正极极片和负极极片；所述两组第一滑轮组分别部分位于所述两组第一容器中，以在所述两组第一滑轮组转动时，带动所述正极极片和所述负极极片在所述电解液中浸润；

两组第二滑轮组，所述两组第二滑轮组上分别卷有隔膜；所述两组第二滑轮组分别部分位于所述两组第二容器中，以在所述两组第二滑轮组转动时，带动所述隔膜在所述凝胶电解质前驱体液中浸润；

挤压辊和卷绕装置，所述挤压辊位于所述容器组和所述卷绕装置之间，以将浸润后的正极极片、隔膜、负极极片和隔膜依序挤压在一起，形成挤压料；并通过所述卷绕装置对所述挤压料卷绕以进行电池组装。

可选的，所述装置还包括：牵引辊，所述牵引辊位于所述两组第二滑轮组和所述挤压辊之间；所述牵引辊与所述隔膜接触，以牵引浸润后的所述隔膜移动至所述挤压辊处。

可选的，所述挤压辊的外表面设置有高分子材料聚丙烯膜。

可选的，所述高分子材料聚丙烯膜的厚度为0.1cm-10cm。

可选的，所述制备装置还包括：第一控制器，所述第一控制器与所述两组第一滑轮组连接；所述第一控制器与所述两组第二滑轮组连接，以控制所述两组第一滑轮组和所述两组第二滑轮组的转速均处于0.01r/min-10r/min的范围。

可选的，所述制备装置还包括：第二控制器，所述第二控制器与所述挤压辊连接，以控制所述挤压辊的转速处于0.01r/min-10r/min的范围，和控制所述挤压辊的挤压力范围处于0.01N-30N的范围。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本申请实施例提供的装置，先将正极极片和负极极片在电解液中浸润，并将隔膜在凝胶电解质前驱体液中浸润，再通过挤压辊将极片和隔膜依序挤压在一起，由于正极极片和负极极片预先在电解液中浸润处理，一方面，避免由于极片吸收不到电解液出现的死区，另一方面，能更好的与隔膜上的凝胶电解质相容，不需要热聚合就可以将极片与隔膜挤压在一起，极大提高了电池的可靠性。

2、本申请实施例提供的装置，设置牵引辊带动涂覆了凝胶电解质前驱体液的隔膜运动，可防止隔膜上的电解质膜在移动过程中被压坏，也可以提供给隔膜较好的张力，使得凝胶电解质膜形成的厚度更均匀，进而提高电池可靠性。

3、本申请实施例提供的装置，在挤压辊表面设置高分子材料聚丙烯膜，使其具有合适的压力与适度的弹性，有利于保护含驻液的凝胶电解质膜的多孔结构，保护里面的液体含量不被挤压出来，提高电池可靠性；还可以保护金属材质的辊不被电解质腐蚀。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中凝胶聚合物锂离子电池的制备装置的结构图；

图2为本申请实施例中凝胶聚合物锂离子电池的制备方法的流程图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种凝胶聚合物锂离子电池的制备装置，解决了现 有技术中的凝胶聚合物锂离子电池制备装置，由于电解液不能很好的浸润极片，且热聚合工艺弊端多，存在的电池可靠性差的技术问题，实现了提高电池可靠性的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：

本申请提供一种凝胶聚合物锂离子电池的制备装置，包括：

容器组，所述容器组包括：两个第一容器和两个第二容器，所述两个第一容器中装有电解液；所述两个第二容器中装有凝胶电解质前驱体液；

两组第一滑轮组，所述两组第一滑轮组上分别卷有正极极片和负极极片；所述两组第一滑轮组分别部分位于所述两组第一容器中，以在所述两组第一滑轮组转动时，带动所述正极极片和所述负极极片在所述电解液中浸润；

两组第二滑轮组，所述两组第二滑轮组上分别卷有隔膜；所述两组第二滑轮组分别部分位于所述两组第二容器中，以在所述两组第二滑轮组转动时，带动所述隔膜在所述凝胶电解质前驱体液中浸润；

挤压辊和卷绕装置，所述挤压辊位于所述容器组和所述卷绕装置之间，以将浸润后的正极极片、隔膜、负极极片和隔膜依序挤压在一起，形成挤压料；并通过所述卷绕装置对所述挤压料卷绕以进行电池组装。

本申请实施例提供的装置，先将正极极片和负极极片在电解液中浸润，并将隔膜在凝胶电解质前驱体液中浸润，再通过挤压辊将极片和隔膜依序挤压在一起，由于正极极片和负极极片预先在电解液中浸润处理，一方面，避免由于极片吸收不到电解液出现的死区，另一方面，能更好的与隔膜上的凝胶电解质相容，不需要热聚合就可以将极片与隔膜挤压在一起，极大提高了电池的可靠性。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本实用新型实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

在本实施例中，提供了一种凝胶聚合物锂离子电池的制备装置，请参考图1，图1为本申请实施例中凝胶聚合物锂离子电池的制备装置的结构图，如图1所示，所述装置包括：

容器组，所述容器组包括：两个第一容器1和两个第二容器2，所述两个第一容器1中装有电解液；所述两个第二容器2中装有凝胶电解质前驱体液；

两组第一滑轮组3，所述两组第一滑轮组3上分别卷有正极极片4和负极极片5；所述两组第一滑轮组3分别部分位于所述两组第一容器1中，以在所述两组第一滑轮组3转动时，带动所述正极极片4和所述负极极片5在所述电解液中浸润；

两组第二滑轮组6，所述两组第二滑轮组6上分别卷有隔膜7；所述两组第二滑轮组6分别部分位于所述两组第二容器2中，以在所述两组第二滑轮组6转动时，带动所述隔膜7在所述凝胶电解质前驱体液中浸润；

挤压辊8和卷绕装置9，所述挤压辊8位于所述容器组和所述卷绕装置9之间，以将浸润后的正极极片4、隔膜7、负极极片5和隔膜7依序挤压在一起，形成挤压料；并通过所述卷绕装置9对所述挤压料卷绕以进行电池组装。

具体来讲，由于隔膜7上浸润形成的凝胶电解质为原位生长在隔膜表面的多孔膜结构，含液量高，有利于增强凝胶聚合物中的液相离子传输机制，提高离子电导率。且正负极片在电池组装前经过电解液浸润处理，与凝胶电解质的界面相容性好，不存在热引发聚合工艺存在的弊端，省去了传统注液工艺，安全性高，工艺简单，节约成本，适合工业化生产。

下面，结合图1详细说明所述凝胶聚合物锂离子电池的制备装置的结构：

在具体实施过程中，如图1所示，所述两组第一滑轮组3分别部分位于所述两组第一容器1中，以使得当两组第一滑轮组3转动时，其上卷的极片能进入第一容器1中的电解液，以进行浸润；同样的所述两组第二滑轮组6分别部分位于所述两组第二容器2中，以使得当两组第二滑轮组6转动时，其上卷的隔膜能进入第二容器2中的凝胶电解质前驱体液，以进行浸润。

为了控制所述两组第一滑轮组3和所述两组第二滑轮组6的转动速度，可以设置所述制备装置还包括：

第一控制器10，所述第一控制器10与所述两组第一滑轮组3连接；所述第一控制器10与所述两组第二滑轮组6连接，以控制所述两组第一滑轮组3和所述两组第二滑轮组6的转速均处于0.01r/min-10r/min的范围。

在本申请实施例中，所述装置还包括：

牵引辊11，所述牵引辊11位于所述两组第二滑轮组6和所述挤压辊8之间；所述牵引辊11与所述隔膜7接触，以牵引浸润后的所述隔膜7移动至所述挤压辊8处。

如图1所示，所述牵引辊11上可以设置有滑轮，所述牵引辊11通过所述滑轮夹持牵引所述隔膜7。

具体来讲，设置牵引辊11带动涂覆了凝胶电解质前驱体液的隔膜运动，可防止隔膜上的电解质膜在移动过程中被压坏，也可以提供给隔膜较好的张力，使得凝胶电解质膜形成的厚度更均匀，进而提高电池可靠性。

在本申请实施例中，还可以设置所述第一控制器10也与所述牵引辊11连接，以控制所述牵引辊11的转动速度处于0.01r/min-10r/min的范围，与所述两组第一滑轮组3和所述两组第二滑轮组6同速同步转动，以使隔膜7能平稳移动。

在本申请实施例中，可以如图1所示设置两个轮的挤压辊，也可以设置四个轮的挤压辊，在此不作限制。

在具体实施过程中，挤压辊8挤压的压力不能太大，且挤压辊8的边缘不能是金属类物质，否则容易将凝胶电解质膜结构压坏，里面的液态电解质成分容易被压出，导致腐蚀金属类挤压辊。

进一步，所述挤压辊8的外表面设置有高分子材料聚丙烯膜。

进一步，所述高分子材料聚丙烯膜的厚度为0.1cm-10cm。

具体来讲，将挤压辊8的边缘镶嵌上一层厚度为0.1-10cm的高分子材料聚 丙烯PP膜，该膜耐腐蚀，且具有一定的弹性，既可以产生一定的压力，将四者牢牢挤压在一起，又不破坏膜的结构，能提高电池的能量密度与减小的界面阻抗。

在本申请实施例中，所述制备装置，还包括：

第二控制器12，所述第二控制器12与所述挤压辊8连接，以控制所述挤压辊8的转速处于0.01r/min-10r/min的范围，和控制所述挤压辊8的挤压力范围处于0.01N-30N的范围。

在具体实施过程中，所述装置还可以包括：

温度控制器和温度传感器，以控制制造电池时的温度；

压力表，以控制制造电池时的气压；

报警装置，以在温度或压力超出预设范围时，输出报警信号以提醒用户；

电源，以为所述装置提供动力，节约人力成本。

接下来，介绍使用所述装置制造凝胶聚合物锂离子电池的制备方法，请参考图2，图2为本申请实施例中凝胶聚合物锂离子电池的制备方法的流程图，如图2所示，所述方法包括：

步骤S201，将正极极片和负极极片在电解液中浸润，并将两组隔膜在凝胶电解质前驱体液中浸润；

步骤S202，将浸润后的正极极片、隔膜、负极极片和隔膜依序挤压在一起，形成挤压料；

步骤S203，对所述挤压料卷绕以进行电池组装。

在本申请实施例中，所述将正极极片和负极极片在电解液中浸润之前，还包括：对所述正极极片和所述负极极片进行除水和除尘处理。

在本申请实施例中，所述将两组隔膜在凝胶电解质前驱体液中浸润之后，还包括：挥发浸润后的所述隔膜，以使所述隔膜表面形成厚度为1um-80um的凝胶电解质层。

下面结合图1详细说明本实施例装置的使用方法：

首先，制备凝胶电解质前驱体液。

所述凝胶电解质前驱体液为电解液，高分子材料，溶解高分子材料的易挥发性有机溶剂，三者的质量百分比为(2％-15％)：(1％-20％)：(50％-90％)。电解液：锂盐主要为六氟磷酸锂、高氯酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、三氟甲基磺酸锂等中的一种或几种，其溶剂主要碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、甲乙基碳酸酯中的一种或任意几种组合；高分子材料为聚偏氟乙烯PVDF，聚氯乙烯PVC，聚偏氟乙烯-六氟丙烯PVDF-HFP，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等中的一种或任意几种组合；有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮，四氢呋喃，丙酮跟乙醇中的一种或任意几种组合；隔膜为聚丙烯PP、聚乙烯PE隔膜、PP/PE/PP复合膜与涂覆陶瓷氧化物的复合膜高分子材料等中的一种或任意几种组合。

具体制备步骤：在惰性气体保护下，将高分子材料固体溶解于选定的有机溶剂中，搅拌6-12h，加入一定量的电解液，搅拌6-12h，得到凝胶电解质前驱液备用。所述惰性气体为氮气或者氩气。

接下来，进行电池组装工艺。

将已准备好的电解液注入两组第一容器1中，准备浸润正极极片跟负极极片的卷料；

将之前配制的凝胶电解质前驱体液注入两组第二容器2中，将凝胶电解质前驱体液涂覆于隔膜上，制备多孔高驻液的凝胶电解质；

再用第一控制器10设置第一滑轮组3、第二滑轮组6与牵引辊11的参数，转速设置范围为0.01r/min-10r/min；

再用第二控制器12设置挤压辊8的转速与挤压力，该参数与物料传送速度相关，转速范围为0.01r/min-10r/min，挤压力范围为0.01N-30N；

最后，启动电源，经过高温除水、除尘处理的正极极片4跟负极极片5在滑轮组的转动下经过浸润处理，向挤压辊8移动，同时隔膜7在滑轮组的转动下双面涂覆上凝胶电解质前驱体液，经过溶剂挥发得到一层厚度为10-80um的 凝胶电解质，再在牵引辊11的作用下，向挤压辊8移动，在挤压辊8的作用下，按照正极、隔膜、负极、隔膜的顺序将四者压在一起，再在卷绕装置9处进行卷绕电池组装，而后进行焊极耳，入壳封装，化成，整形，除气，分容等，得到最终的凝胶聚合物锂离子电池。

为了说明本实施例装置制备电池的效果，下面列举两个电池制备实例及制备成品效果：

第一个实例：

首先，制备凝胶电解质前驱体液。

凝胶电解质前驱体液：1M的六氟磷酸锂，电解液溶剂为碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯体积比为1：1的电解液，高分子材料为PVDF，溶解高分子材料的易挥发性有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，三者的质量百分比为20％：10％：70％，隔膜为聚乙烯PE隔膜。

具体步骤为：在惰性气体氩气保护下，将高分子材料固体PVDF溶解于选定的有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中，搅拌12h，加入六氟磷酸锂的电解液，搅拌6h，得到凝胶电解质前驱体液备用。

接下来，制备凝胶电解质膜。

将已准备好的电解液注入两组第一容器1中，再将配制的凝胶电解质前驱体液注入两组第二容器2，设置滑轮组与牵引辊11转速为5r/min，设置挤压辊8转速为2r/min，挤压力为5N。

启动电源，经过高温除水、除尘处理的正极极片跟负极极片在第一滑轮组3的转动下经过电解液进行浸润处理，向挤压辊8移动，同时隔膜7在第二滑轮组6的转动下双面涂覆上凝胶电解质前驱体液，经过溶剂挥发得到一层厚度为60um的凝胶电解质，在牵引辊11的作用下，向挤压辊8移动，在挤压辊8的作用下，按照正极、隔膜、负极、隔膜的顺序将四者压在一起。

在卷绕装置9处进行卷绕电池组装，而后进行焊极耳，入壳封装，化成，整形，除气，分容等，得到最终的凝胶聚合物锂离子电池。

第二个实例：

首先，制备凝胶电解质前驱体液。

凝胶电解质前驱体液：1M的六氟磷酸锂，电解液溶剂为碳酸乙烯酯与碳酸二乙酯体积比为1：1的电解液，高分子材料为PVC，溶解高分子材料的易挥发性有机溶剂为四氢呋喃，三者的质量百分比为15％：5％：80％，隔膜为聚乙烯PP隔膜。

具体步骤：在惰性气体氩气保护下，将高分子材料固体PVC溶解于选定的有机溶剂四氢呋喃中，搅拌12h，加入六氟磷酸锂的电解液，搅拌6h，得到凝胶电解质前驱体液备用。

接下来，制备凝胶电解质膜。

将已准备好的电解液注入两组第一容器1中，再将配制的凝胶电解质前驱体液注入两组第二容器2，设置滑轮组与牵引辊11转速为8r/min，

设置挤压辊8转速为3r/min，挤压力为10N。

启动电源，经过高温除水、除尘处理的正极极片跟负极极片在第一滑轮组3的转动下经过电解液进行浸润处理，向挤压辊8移动，同时隔膜7在第二滑轮组6的转动下双面涂覆上凝胶电解质前驱体液，经过溶剂挥发得到一层厚度为50um的凝胶电解质，在牵引辊11的作用下，向挤压辊8移动，在挤压辊8的作用下，按照正极、隔膜、负极、隔膜的顺序将四者压在一起。

在卷绕装置9处进行卷绕电池组装，而后进行焊极耳，入壳封装，化成，整形，除气，分容等，得到最终的凝胶聚合物锂离子电池。

对上述两个实例制备的电池进行检测，并对比凝胶聚合物电解质膜厚、过挤压辊8时挤压过程中有无液体流出及锂离子电池容量保持率，检测结果如表1所示。

容量保持率测试：将两个实例制备的锂离子电池在常温下静置12h，以0.02C恒流充电至截止电压4.2V；静置30min又以0.2C恒流放电至截止电压为3V；锂离子电池按上述方式进行500次循环充放电测试。

其中，第N周的容量保持率(％)＝[第N周的放电容量/第一周的放电容量]*100％。

表1

从表1可见，本申请提供的装置制备的锂离子电池的参数指标及性能均符合要求。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本申请实施例提供的装置，先将正极极片和负极极片在电解液中浸润，并将隔膜在凝胶电解质前驱体液中浸润，再通过挤压辊将极片和隔膜依序挤压在一起，由于正极极片和负极极片预先在电解液中浸润处理，一方面，避免由于极片吸收不到电解液出现的死区，另一方面，能更好的与隔膜上的凝胶电解质相容，不需要热聚合就可以将极片与隔膜挤压在一起，极大提高了电池的可靠性。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。