一种用于锂离子电池极片补锂的装置的制作方法

本实用新型属于锂离子电池技术领域，涉及一种用于锂离子电池极片补锂的装置。

背景技术：

锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好等诸多优点，成为应用最广泛的二次电池之一，目前已经占领便携式电子产品电源市场，并逐渐被电动汽车等大型移动设备选为动力电池。随着新能源汽车的发展，现有市场对电动汽车的续航里程及使用寿命要求越来越高，而这些性能主要是由锂离子电池决定的，因此，人们对锂离子电池的能量密度也提出了更高的要求。

在现有的化学体系的基础上，通过减少非活性物质的质量而提高能量密度的办法已经到达了当前制造工艺的瓶颈，但是，通过电池极片补锂的方法可以进一步提高锂离子电池的能量密度，提高其首次充放电效率。通过锂金属来补锂不会引入其他杂质，可作为优选地锂源。目前，常用的补锂方法是锂带贴合或锂粉撒在极片表面。锂带贴合的方法所需设备一般较为复杂，而且锂的机械性能较差，连续锂带的制备较为困难，造成成本较高。CN 203282824U公开了一种向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的装置，包括依次设置的放卷机构、第一补锂系统、保护膜系统、第一辊压系统、张力调节翻转机构、第二补锂系统、第二辊压系统和收卷机构，使锂粉能够均匀的分散在负极片上下表面，但该装置的结构较为复杂，同时仍存在锂粉补充方法的安全隐患：锂粉活泼性强，在空气中极易被氧化或者与空气中的水分反应而造成失效或者起火；锂粉重量轻，易漂浮，易被吸入而造成伤害。

基于上述方法的存在的不足，目前也有采用熔融锂来给极片补锂的装置或方法，可以有效避免锂带或锂粉补充存在的一些问题，而且锂的熔点较低，使得该方法相对较易实施。CN 203800119 U公开了一种用于向基材表面补锂的装置，包括用于供应熔融锂的锂熔融系统、用于将熔融锂从锂熔融系统输送至置于收放卷系统中的基材上的输送系统、用于供应基材的收放卷系统、用于向密封工作室提供钝化气体的钝化气体供应系统和密封工作室，采用该装置可实现基材表面补锂，但该装置结构及连接关系复杂，造成成本较高，同时所需控制条件较多，难以精确调节补锂量。

综上所述，目前急需一种操作简单、稳定可控、安全性好的极片补锂装置，既能够简化补锂过程，又能够提高补锂的精度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于锂离子电池极片补锂的装置，本实用新型中金属锂以熔融锂液的形式快速喷涂到极片上，喷涂量可控，实现电池极片的定量补锂，大幅度提高电池的能量密度和循环寿命；同时，所述装置操作简单、过程稳定可控，机械化程度高。

为达此目的，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锂离子电池极片补锂的装置，所述装置包括锂液供应单元、锂液喷涂单元和极片补锂单元；

其中，所述锂液喷涂单元包括挤压喷涂装置，所述锂液供应单元的出口与挤压喷涂装置的进口相连；所述挤压喷涂装置包括喷嘴，所述极片补锂单元包括转动辊，所述转动辊上搭载极片，所述挤压喷涂装置的喷嘴与转动辊的转动轴位于同一水平线上，所述喷嘴与搭载极片的转动辊之间有间隙；

所述锂液供应单元、锂液喷涂单元和极片补锂单元均设置于密闭工作室中，所述密闭工作室内填充干燥惰性气体。

本实用新型中，所述装置可实现极片的补锂过程，采用熔融锂液避免了锂粉补锂时存在的弊端，挤压喷涂装置和转动辊可以从两方面有效控制锂的喷涂量，从而实现电池极片的定量补锂；在干燥惰性气体环境中操作，是为了避免熔融锂液与空气和水分反应而影响极片补锂的效果；所述装置组成、操作简单，均可以机器完成，利于工业化生产，也可以减少人为操作可能带来的安全事故。

所述惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气或氙气中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氦气和氖气的组合，氩气和氪气的组合，氦气、氩气和氙气的组合，氖气、氩气、氪气和氙气的组合等。

所述密闭工作室内干燥惰性气体的表压为3～7kPa，例如3kPa、3.5kPa、4kPa、4.5kPa、5kPa、5.5kPa、6kPa、6.5kPa或7kPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本实用新型中，将所述装置设置于密闭工作室中，有利于维持惰性气体环境，同时操作压力也容易进行控制。

以下作为本实用新型优选的技术方案，但不作为本实用新型提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本实用新型的技术目的和有益效果。

作为本实用新型优选的技术方案，所述锂液供应单元包括锂熔融装置，所述锂熔融装置的出口处设有阀门。

作为本实用新型优选的技术方案，所述挤压喷涂装置内部设有加热部件，所述挤压喷涂装置加热至180℃以上，例如180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃或240℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本实用新型中，锂液在流经挤压喷涂装置时需要保持液态，因此该装置内部需要设置加热机构，使其温度达到锂的熔点以上，便于补锂过程的顺利进行。

作为本实用新型优选的技术方案，所述挤压喷涂装置喷嘴处锂液的挤出压力为0～100kPa，例如1kPa、10kPa、20kPa、30kPa、50kPa、60kPa、80kPa或100kPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述挤压喷涂装置的喷嘴间隙高度0～100μm，例如1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、60μm、80μm或100μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述转动辊的转速为1～35m/min，例如1m/min、5m/min、10m/min、15m/min、20m/min、25m/min、30m/min或35m/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述转动辊的材质可选的包括陶瓷；其中包括陶瓷辊或者表面涂有陶瓷层的金属辊。

本实用新型中，挤压喷涂装置的挤出压力、喷嘴间隙高度以及转动辊的转速都会影响锂液的喷涂量。挤出压力的大小会影响锂液的流速，喷嘴间隙高度的大小则会喷出锂液的横截面积，转动辊的速度大小与喷涂在单位极片面积上的锂液量有关；通过上述参数的调节，可以精确控制补锂的精度，同时也可以影响锂层厚度的均匀性，使得极片补锂后表面平整，便于使用。

作为本实用新型优选的技术方案，所述装置还包括极片冷却单元，所述极片冷却单元位于极片补锂单元的下游。

作为本实用新型优选的技术方案，所述极片冷却单元设置于极片冷却室中，所述极片冷却室内填充干燥惰性气体；所述极片冷却室与密闭工作室除留有极片通过的位置，其他位置均隔开。

本实用新型中，所述极片冷却室的温度为23～27℃，例如23℃、24℃、25℃、26℃或27℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

由于极片冷却所需温度低于极片喷涂过程的温度，两者隔开布置有助于对各自区域温度的设置，也可避免相互影响。

作为本实用新型优选的技术方案，所述装置还包括气体干燥单元，所述气体干燥单元设置于密闭工作室外侧，并与密闭工作室相连。

本实用新型中，由于锂也可以与水反应，故惰性气体需要保持干燥，气体干燥单元的设置，可以将惰性气体干燥后再通入密闭工作室和极片冷却室，在补锂的过程中，也可以定时干燥其中的气体。

另一方面，本实用新型提供了一种采用上述装置进行极片补锂的方法，所述方法包括：将加热至熔融态的锂液喷涂到转动辊搭载的极片上，得到补锂极片；所述方法在干燥惰性气体环境下进行。

本实用新型中，所述极片为阳极极片，所述极片的厚度为50～200μm，例如50μm、75μm、100μm、120μm、140μm、160μm、180μm或200μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；极片补锂后，锂层的厚度为0～20μm，例如1μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm或20μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本实用新型中，金属锂加热至熔点180℃以上，例如180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃或240℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；而在锂液进入挤压喷涂装置前，该装置也需要加热至该温度以上，避免金属锂提前凝固。

作为本实用新型优选的技术方案，极片补锂后进行冷却，得到固态金属锂附着的极片。为了避免补锂后的极片在冷却过程中与空气和水反应，极片冷却单元同样需要在干燥惰性气体环境中。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型所述装置补锂过程稳定可控，补锂精度高，能够高效、定量、均匀地给电池极片补锂；

(2)本实用新型所述装置结构简单，均可用机器完成，安全性好，有利于工业化生产；

(3)本实用新型极片补锂后用于锂离子电池，对于镍钴锰三元锂电池其首次充放电效率可达89％，循环5000次左右，容量保持率仍可达到80％；对于磷酸铁锂电池，其首次充放电效率可达95％，循环10000次左右，容量保持率仍可达80％，极大的增加了电池寿命。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的锂离子电池极片补锂装置的结构示意图；

其中，1-锂液供应单元，2-锂液喷涂单元，3-极片补锂单元，4-极片冷却单元，5-气体干燥单元。

具体实施方式

为更好地说明本实用新型，便于理解本实用新型的技术方案，下面对本实用新型进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本实用新型的简易例子，并不代表或限制本实用新型的权利保护范围，本实用新型保护范围以权利要求书为准。

本实用新型具体实施方式部分提供了一种用于锂离子电池极片补锂的装置，所述装置包括锂液供应单元1、锂液喷涂单元2和极片补锂单元3；

其中，所述锂液喷涂单元2包括挤压喷涂装置，所述锂液供应单元1的出口与挤压喷涂装置的进口相连；所述挤压喷涂装置包括喷嘴，所述极片补锂单元3包括转动辊，所述转动辊上搭载极片，所述挤压喷涂装置的喷嘴与转动辊的转动轴位于同一水平线上，所述喷嘴与搭载极片的转动辊之间有间隙；

所述锂液供应单元1、锂液喷涂单元2和极片补锂单元3均设置于密闭工作室中，所述密闭工作室内填充干燥惰性气体。

以下为本实用新型典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种用于锂离子电池极片补锂的装置，所述装置的结构示意图如图1所示，所述装置包括锂液供应单元1、锂液喷涂单元2和极片补锂单元3。

所述锂液供应单元1包括锂熔融装置，所述锂熔融装置的出口处设有阀门；所述锂液喷涂单元2包括挤压喷涂装置，所述锂熔融装置的出口与挤压喷涂装置的进口相连，所述挤压喷涂装置内部设有加热机构。

所述挤压喷涂装置包括喷嘴，所述极片补锂单元3包括转动辊，所述转动辊上搭载极片，所述挤压喷涂装置的喷嘴与转动辊的转动轴位于同一水平线上，所述喷嘴与搭载极片的转动辊之间有间隙，所述转动辊为陶瓷辊。

所述锂液供应单元1、锂液喷涂单元2和极片补锂单元3均设置于密闭工作室中，所述密闭工作室内填充干燥惰性气体氖气。

所述装置还包括极片冷却单元4，所述极片冷却单元4位于极片补锂单元3的下游；所述极片冷却单元4设置于极片冷却室中，所述极片冷却室内填充干燥惰性气体氖气，与密闭工作室除留有极片通过的位置外，其他位置隔开。

所述装置还包括气体干燥单元5，所述气体干燥单元5设置于密闭工作室外侧，并与密闭工作室相连。

实施例2：

本实施例提供了一种用于锂离子电池极片补锂的装置，所述装置的结构参照实施例1，区别仅在于：所述转动辊为表面涂有陶瓷层的金属辊，所述惰性气体为氩气。

实施例3：

本实施例提供了一种锂离子电池极片补锂方法，所述方法采用实施例1中的装置进行，包括以下步骤：

(1)向密闭工作室中通入干燥后的氖气，使其内部表压达到5kPa，将锂熔融装置中的金属锂加热至200℃，得到熔融态锂液；

(2)将挤压喷涂装置自加热至180℃，打开锂熔融装置的阀门，锂液进入挤压喷涂装置经喷嘴喷涂到转动辊搭载的极片上，所述喷嘴处锂液的挤出压力为50kPa，喷嘴间隙高度为20μm，转动辊的转速为20m/min，经25℃冷却后得到补锂极片。

观察所得补锂极片的外观，并测试补充锂层的厚度；将该补锂极片用于锂离子电池的组装，对该锂离子电池的首次充放电效率测试和循环性能测试，测试条件为：25℃，1C充放电循环测试，充电或放电后静置10min。

本实施例中，所述补锂极片厚度均匀，锂层的厚度为10μm；经测试，对于组装成的镍钴锰三元锂电池，其首次充放电效率可达89％，循环5000次后容量保持率仍可达到80％；对于组装成的磷酸铁锂电池，其首次充放电效率可达95％，循环10000次后，容量保持率仍可达80％，电池寿命较长。

实施例4：

本实施例提供了一种锂离子电池极片补锂方法，所述方法采用实施例2中的装置进行，包括以下步骤：

(1)向密闭工作室中通入干燥后的氩气，使其内部表压达到3kPa，将锂熔融装置中的金属锂加热至180℃，得到熔融态锂液；

(2)将挤压喷涂装置自加热至180℃，打开锂熔融装置的阀门，锂液进入挤压喷涂装置经喷嘴喷涂到转动辊搭载的极片上，所述喷嘴处锂液的挤出压力为2kPa，喷嘴间隙高度为5μm，转动辊的转速为1m/min，经23℃冷却后得到补锂极片。

观察所得补锂极片的外观，并测试补充锂层的厚度；将该补锂极片用于锂离子电池的组装，除该补锂极片外，所述锂离子电池的其他组件均与实施例3相同，对该锂离子电池的首次充放电效率测试和循环性能测试，测试条件参照实施例3。

本实施例中，所述补锂极片厚度均匀，锂层的厚度为5μm；经测试，对于组装成的镍钴锰三元锂电池，其首次充放电效率可达88％，循环4500次后容量保持率仍可达到80％；对于组装成的磷酸铁锂电池，其首次充放电效率可达94％，循环8500次后，容量保持率仍可达80％，电池寿命较长。

实施例5：

本实施例提供了一种锂离子电池极片补锂方法，所述方法采用实施例1中的装置进行，包括以下步骤：

(1)向密闭工作室中通入干燥后的氖气，使其内部表压达到7kPa，将锂熔融装置中的金属锂加热至240℃，得到熔融态锂液；

(2)将挤压喷涂装置均自加热至200℃，打开锂熔融装置的阀门，锂液进入挤压喷涂装置经喷嘴喷涂到转动辊搭载的极片上，所述喷嘴处锂液的挤出压力为100kPa，喷嘴间隙高度为100μm，转动辊的转速为35m/min，经27℃冷却后得到补锂极片。

观察所得补锂极片的外观，并测试补充锂层的厚度；将该补锂极片用于锂离子电池的组装，除该补锂极片外，所述锂离子电池的其他组件均与实施例3相同，对该锂离子电池的首次充放电效率测试和循环性能测试，测试条件参照实施例3。

本实施例中，所述补锂极片厚度均匀，锂层的厚度为15μm；经测试，对于组装成的镍钴锰三元锂电池，其首次充放电效率可达90％，循环6000次后容量保持率仍可达到80％；对于组装成的磷酸铁锂电池，其首次充放电效率可达95％，循环12000次后，容量保持率仍可达80％，电池寿命较长。

对比例1：

将实施例3中未进行补锂的极片用于锂离子电池的组装，除该极片外，所述锂离子电池的其他组件均与实施例3相同，对该锂离子电池的首次充放电效率测试和循环性能测试，测试条件参照实施例3。

本对比例中，经测试，对于组装成的镍钴锰三元锂电池，其首次充放电效率仅为85％，循环2000次后容量保持率降为80％；对于组装成的磷酸铁锂电池，其首次充放电效率仅为90％，循环4000次后，容量保持率降为80％。

综合上述实施例和对比例可以看出，本实用新型所述极片补锂装置结构简单，操作过程稳定可控，补锂精度高，能够高效、定量、均匀地给电池极片补锂，提高组装成的锂离子电池的能量密度和循环寿命，对于镍钴锰三元锂电池，其首次充放电效率可达89％，循环5000次左右，容量保持率仍可达到80％；对于磷酸铁锂电池，其首次充放电效率可达95％，循环10000次左右，容量保持率仍可达80％；本实用新型补锂过程均可以机器完成，有利于工业化生产，也可以减少人为操作可能带来的安全事故，安全性好。

申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的详细装置及运行过程，但本实用新型并不局限于上述装置和运行过程，即不意味着本实用新型必须依赖上述装置和运行过程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型装置组件等效替换及辅助装置的添加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。