一种补锂干电极及其制备方法、电极制备设备和应用与流程

本发明属于电池，涉及一种补锂干电极及其制备方法、电极制备设备和应用。

背景技术：

1、锂离子电池由于具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优势而成为消费类电子电池与新能源汽车动力电池的首选。然而，锂离子电池电极材料首次充放电过程中，固态电解质膜(sei膜)的形成造成锂损耗，限制了锂离子电池能量密度的发挥，这种情况在硅基负极材料体系中表现尤为明显，而循环过程中副反应引起的活性锂损耗会造成循环寿命缩短，对极片补锂是提升锂离子电池能量密度与循环寿命有效手段。

2、现有锂离子电池电极的制备一般采用湿法涂布工艺，湿法涂布工艺不仅会使用无用的溶剂，还会造成能源消耗、占地面积增加，造成锂离子电池成本过高。而且，随着能量密度的提升，需要增加电极厚度，存在电极离子扩散动力学差的问题。

3、锂箔补锂技术在安全性、成本、效率方面具备优势，例如cn105845896b公开了一种分体压延一次性覆膜补锂装置。

4、目前，负极补锂均在极片表面贴合金属锂，不仅造成金属锂副反应严重，降低金属锂利用率，还带来了安全风险。

5、因此，提供一种干法补锂极片，避免湿法涂布的缺点，提升金属锂的利用率，获得较好的补锂效果，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种补锂干电极及其制备方法、电极制备设备和应用。本发明的补锂干电极实现了低成本和高效补锂性能的兼顾，具有广阔的应用前景。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种补锂干电极，所述补锂干电极包括依次层叠设置的集流体和位于所述集流体表面的电极层，所述电极层的层数为至少2层，所述电极层之间夹设有补锂层，所述补锂层的形貌为条纹状。

4、本发明中，条纹状的补锂层夹设在电极层之间，能够充分利用锂进行补锂，提升了锂的利用率和补锂效率，能够改善电极(尤其是厚电极)的动力学性能，还可以避免现有技术的负极采用金属锂补锂存在的副反应和安全问题。而且，本发明的补锂干电极的制备过程中避免了溶剂的使用，降低了制造成本，适合工业化生产。

5、以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

6、优选地，所述补锂层为锂层。

7、优选地，所述补锂层中，条纹的宽度为0.5mm-3mm，例如0.5mm、0.8mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm等；条纹的间隔为0.2mm-1mm，例如0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm或1mm等。如此设置的好处是降低补锂层对上下电极层粘附力的影响，增强嵌锂效果，改善电化学性能。

8、优选地，所述补锂层的面密度为0.1mg/cm2-0.4mg/cm2，例如0.1mg/cm2、0.2mg/cm2、0.3mg/cm2或0.4mg/cm2等。若面密度过小，则补锂效果差；若面密度过大，则易发生析锂。

9、优选地，所述电极层的单层厚度为10μm-100μm，例如10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm或100μm等。

10、优选地，所述电极层包括电极材料和粘结剂，通过调整电极材料的理化参数和/或电极层中的各组分的质量占比，来调节电极层的倍率性能。

11、优选地，所述电极材料为负极活性材料，所述负极活性材料包括人造石墨、天然石墨、软碳、硬碳、硅氧或硅碳材料中的至少一种。

12、优选地，所述粘结剂包括聚四氟乙烯(ptfe)。

13、优选地，所述粘结剂还可包括聚偏氟乙烯(pvdf)、聚丙烯腈(pan)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚丙烯酸(paa)或聚丙烯(pe)中的至少一种。

14、优选地，沿着远离所述集流体的方向，电极层中的粘结剂的质量占比依次减小。

15、优选地，所述电极层中还包括导电碳，所述导电碳包括导电炭黑(sp)、导电碳管(cnt)或导电碳纤维(vgcf)中的至少一种。

16、优选地，沿着远离所述集流体的方向，电极层中的导电剂的质量占比依次减小。

17、作为本发明所述补锂干电极的优选技术方案，所述电极层为负极层，所述电极层的层数为2层，沿着远离所述集流体的方向，电极层分别为第一负极层和第二负极层；

18、所述第一负极层包括第一负极活性材料、第一粘结剂和第一导电剂，所述第一负极活性材料为人造石墨、软碳、硬碳、硅氧或硅碳材料中的至少一种；第一负极层中的第一粘结剂的质量占比为0.5％-3％，例如0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％或3％等；第一负极层中的第一导电剂的质量占比为0.5％-2％，例如0.5％、0.8％、1％、1.3％、1.6％或2％等；

19、所述第二负极层包括第二负极活性材料、第二粘结剂和第二导电剂，所述第二负极活性材料为人造石墨、天然石墨、硅氧或硅碳材料中的至少一种，所述第二负极层中的第二粘结剂的质量占比为0.1％-1％，例如0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等；所述第二负极层中的第二导电剂的质量占比为0.1％-1％，例如0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等。

20、本发明中，第一粘结剂和第二粘结剂的种类可相同或不同，本领域技术人员可根据需要进行选择。

21、本发明中，第一导电剂和第二导电剂的种类可相同或不同，本领域技术人员可根据需要进行选择。

22、在一个实施方式中，第一负极活性材料选用成本低廉、压实密度高的负极活性材料；第二负极活性材料选用快充能力好、寿命长的负极活性材料。

23、第二方面，本发明提供一种用于制备补锂干电极的电极制备设备，所述电极制备设备包括送料机构、多辊压延成膜机构、复合机构、锂膜输送机构、烘烤装置和后处理机构，其中，所述锂膜输送机构和所述多辊压延成膜结构相配合，用于形成复合层，所述复合层包括至少2层电极层和补锂层；所述复合机构用于将所述复合膜与集流体复合，所述烘烤装置用于对复合机构复合后的膜进行烘烤，所述后处理机构用于对烘烤后的干电极进行辊压。

24、在一个实施方式中，烘烤装置为烘箱，后处理机构为辊压装置。

25、本发明提供的电极制备设备可用于制备第一方面所述的补锂干电极。

26、作为本发明所述的电极制备设备的优选技术方案，所述多辊压延成膜结构包括多个沿预设方向排布的压延转移辊，转动方向相同。

27、优选地，所述预设方向与所述集流体的传送方向垂直，且为靠近所述集流体的方向。

28、优选地，所述复合机构包括集流体放卷装置和电极收卷装置，所述集流体放卷装置用于释放集流体，所述电极收卷装置用于收集补锂干电极。

29、优选地，所述锂膜输送机构包括附锂膜放卷辊、转移辊和空膜收卷辊，所述附锂膜放卷辊用于释放带锂的复合膜，所述转移辊用于将附锂膜转移到多辊压延成膜机构中的压延转移辊，所述空膜收卷辊用于收集空膜。

30、第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的补锂干电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

31、(1)提供至少两种电极层的原料粉，用于分别辊压形成至少2层电极层；

32、(2)将电极层的原料粉辊压形成电极层，而后再其上形成补锂层；

33、(3)再在补锂层的表面施加电极层的原料粉，辊压后在补锂层的表面形成电极层；

34、(4)可选地，重复至少1次步骤(3)，得到复合层；

35、(5)将所述复合层与集流体复合，得到补锂干电极前体；

36、(6)对所述补锂干电极前体进行烘烤，以进行嵌锂反应；

37、(7)对嵌锂后的干电极进行辊压处理，得到补锂干电极。优选地，步骤(2)所述形成补锂层的方法为：采用附锂膜，利用辊压的方式，使载体膜上的锂转移到步骤(2)形成的电极层的表面。

38、优选地，所述附锂膜为带锂的pet膜或带锂的钢带中的任意一种。

39、优选地，步骤(6)所述烘烤的温度为60℃-90℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃等。

40、优选地，步骤(6)所述烘烤的气氛为100℃以下不与金属锂反应的气氛。

41、本发明对气氛中的气体不作限定，包括但不限于氦气、氩气、氧气、二氧化碳中的至少一种。

42、优选地，步骤(6)所述烘烤的时间为8h-24h，例如8h、9h、10h、11h、13h、15h、17h、18h、20h、22h或24h等。

43、第四方面，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括第一方面所述的补锂干电极。

44、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列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。

45、与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

46、本发明中，条纹状的补锂层夹设在电极层之间，能够充分利用锂进行补锂，提升了锂的利用率和补锂效率，能够改善电极(尤其是厚电极)的动力学性能，还可以避免现有技术的负极采用金属锂补锂存在的副反应和安全问题。而且，本发明的补锂干电极的制备过程中避免了溶剂的使用，降低了制造成本，适合工业化生产。