CN101623684A - 用于锂离子电池极片的涂膜方法和涂膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于锂离子电池极片的涂膜方法和涂膜设备。涂膜设备包括浆料槽(1)和涂膜头(3)，浆料槽通过浆料输送管(2)与涂膜头相连以便为涂膜头提供涂膜浆料，还包括对浆料槽中的浆料进行搅拌的搅拌装置(5)以及用于在从浆料槽至涂膜头的范围内控制涂膜浆料温度的温控装置(4)。本发明的涂膜方法包括：给浆料槽提供涂膜浆料，浆料槽内的涂膜浆料的温度被保持在预定范围内并且涂膜浆料被搅拌；将浆料槽内的涂膜浆料输送给涂膜头；用涂膜头对锂离子电池极片进行涂膜，在涂膜头处保持涂膜浆料温度。上述涂膜方法和涂膜设备的开发解决了涂膜浆料的流动性问题，解决了电池极片涂膜的均匀性和膜层厚度可控性的问题，延长了锂离子电池寿命，降低了电池运营成本，使涂膜工艺实现了产业化生产。

Description

用于锂离子电池极片的涂膜方法和涂膜设备

技术领域

本发明涉及电池生产技术，具体地说，本发明涉及锂离子电池极片的涂膜方法和涂膜设备。

背景技术

由于能源、环境的双重压力，开发研究能源替代型、环境友好型材料已是形势所迫。锂离子电池因其在无污染性、高功率密度以及高电压、无记忆效应等方面的优势而备受各国研发人员、政府的青睐。各国政府相继投巨资来研究锂离子电池产业化的各个环节因素并取得了卓有成效的结果，使锂离子电池的应用范围得到进一步扩大。目前，电动车用锂离子电池的研发仍牵动着各国政府及研发机构的神经，其存在的问题还需进一步的研究和完善。寿命问题是锂离子电池要普遍使用化所必须解决的一个主要问题，它的解决将极大的降低电池的成本，从而使电动汽车的广泛使用成为可能。目前，在锂离子电池寿命方面所作的工作主要有：正负极新型材料的研究、功能型电解液的开发、电池制作工艺的优化以及电池结构的改进等，其中对电池极片进行优化处理也吸引研发人员作深入探讨。

中国专利申请公开号CN1838468A采用延流法在负极极片上涂一层无机粒子混合膜，获得比较理想的结果，电池的首次充放电容量可以达到142mAh/g(正极材料为LiCoO₂)，容量衰减率为0.4‰。此外，戈明亮在《合成材料老化与应用》(2007，36(7)：31-36)中详细说明了最近聚合物电解质膜的发展以及趋势。

发明内容

目前，研究较多的是在电池极片上涂一层无机膜。然而，由于涂膜材料的特殊性，即粘度比较小和材料均匀混合比较困难，因此对锂离子电池极片进行涂膜处理的方法比较单一，一般都采用的是刮涂法、延流法以及手工涂膜，不具备产业化的要求，并且膜层厚度的可控制性差、膜层的厚度不均匀，从而导致电池性能的不一致性加大，不利于电池批量生产。此外，尽管中国专利申请公开号CN1838468A曾提到可使用涂布法，但其实施例都采用延流法并且没有说明如何实施涂布以及采用何种涂布设备。

基于对锂离子电池极片涂膜工艺的改进以及产业化要求，我们提出一种锂离子电池极片涂膜的新方法即喷涂法，并且根据实际需求专门设计了涂膜设备。本发明的方法与设备解决了涂膜材料的流动性问题，获得了很好的电池极片涂膜均匀性以及膜层厚度可控性，极大延长了锂离子电池的寿命，最终降低了电池的运营成本。

本发明的目的是提供一种用于锂离子电池极片的涂膜方法和涂膜设备，借此使锂离子电池极片的成膜能以产业化方式进行并能延长锂离子电池的寿命。

为此，本发明提供一种用于锂离子电池极片的涂膜设备，其包括浆料槽和涂膜头，浆料槽通过浆料输送管与涂膜头相连以便为涂膜头提供涂膜浆料，其中涂膜设备还包括用于对浆料槽中的浆料进行搅拌的搅拌装置、以及用于在从浆料槽至涂膜头的范围内控制涂膜浆料温度的温控装置。

本发明还提供一种用于锂离子电池极片的涂膜方法，包括：给浆料槽提供涂膜浆料的步骤，其中浆料槽中的涂膜浆料的温度被保持在预定范围内并且涂膜浆料被搅拌；将浆料槽内的涂膜浆料输送给涂膜头的步骤；利用涂膜头对锂离子电池极片进行涂膜的步骤，其中涂膜浆料的温度在涂膜头处被保持在预定范围内。

根据本发明，通过在浆料槽中将浆料控制在最佳的(涂膜)温度并且同时通过搅拌使浆料混合更均匀，保证了浆料具有合适的流动性，进而保证浆料以均匀方式涂膜在电池极片上。

在上述涂膜设备中，涂膜浆料含有聚偏氟乙烯-六氟丙烯PVDF-HFP、SiO₂(Al₂O₃)、丁酮、正丁醇和碳酸二乙酯DEC。关于涂膜浆料及其具体组成，可以采用并参照现有技术中的产品，例如中国专利申请公开号CN1838468A所述的材料，因而在此没有做详细说明。

上述温控装置可以包括用于加热浆料槽以便将浆料槽内的涂膜浆料的温度控制在预定范围内的第一加热机构、和用于加热涂膜头以便在涂膜头处保持涂膜浆料温度的第二加热机构或保温机构。在本发明中，第一或第二加热机构可以是电阻式加热机构，此时，优选设置带有用于检测涂膜浆料温度的温度传感器的控制器或控制中心，用于控制上述电阻式加热机构的工作和功率，此电阻式加热机构例如是围绕浆料槽布置的电阻丝。此外，用于保持涂膜头温度的保温机构可以是保温袋或保温管道，其借助保温介质如热流体来实现保温。关于上述加热机构或保温机构，本发明没有特殊限制，在此完全可以采用任何适用的现有技术装置或构造。

在本发明的涂膜设备中，在涂膜浆料含有聚偏氟乙烯-六氟丙烯、SiO₂(Al₂O₃)、丁酮、正丁醇和碳酸二乙酯的情况下，温控装置包括用于加热浆料槽以便将浆料槽内的涂膜浆料的温度控制在30℃至80℃的第一加热机构、和用于加热涂膜头以在涂膜头处保持涂膜浆料温度的第二加热机构或保温机构。与此相应地，在本发明方法的给浆料槽提供涂膜浆料的步骤中，用第一加热机构加热浆料槽，以将浆料槽中的涂膜浆料温度控制在30℃至80℃，并且在用涂膜头对锂离子电池极片进行涂膜的步骤中，第二加热机构或保温机构加热或保温涂膜头，以保持涂膜浆料温度，涂膜浆料的粘度为10mPa·s至100mPa·s。如上所述，上述的加热机构或保温机构完全可以采用任何适用的现有技术的装置或构造。

此外，温控装置优选包括第三加热机构或保温机构，用于加热或保温浆料输送管以便在浆料输送管处保持涂膜浆料温度。用于加热或保温浆料输送管的加热机构或保温机构也可以采用现有技术的装置或构造，在此，优选与浆料输送管同轴线布置的保温管道。

在根据本发明的涂膜设备和涂膜方法中，涂膜头优选具有长度和/或宽度可调节的涂膜头缝，因此涂膜头缝的调节可被单独用于控制涂膜层的尺寸尤其是厚度。不过在浆料槽配有压力控制装置的情况下，可以通过控制涂膜头缝的宽度和浆料压力来间接控制浆料流量，进而控制涂膜层厚度。

此外，涂膜设备可以包括由送片架和动力辊构成的送片装置、由收片架和动力辊构成的收片装置、和极片跳涂装置，该极片跳涂装置通过定位感应器实现极片涂膜的跳越。在这里，通过设置送片装置和收片装置，可以实现涂膜工件即极片的边收边放，实现连续涂膜操作。此外，上述动力辊例如被调速电机带动。

涂膜设备优选包括其温度可在0℃至150℃范围内调节的烘干系统例如烘箱，用于对涂膜处理后的极片进行烘干处理。

在本发明的一个优选实施例中，温控装置优选包括分别用于浆料槽、浆料输送管和涂膜头的各加热机构或保温机构，由此将整个涂膜设备控制在预定的温度范围内，以保证浆料温度在整个涂膜过程中恒定不变。

本发明的涂膜方法优选采用本发明的涂膜设备来实施，此时优选采用含有聚偏氟乙烯-六氟丙烯、SiO₂(Al₂O₃)、丁酮、正丁醇和碳酸二乙酯的涂膜浆料，其浓度为1％至30％，粘度保持在50mPa·s至150mPa·s。在这里，涂膜浆料温度优选被控制在30℃至80℃的范围内。在涂膜设备包括烘干系统的情况下，烘干系统如烘箱的温度被设定在50℃至150℃。

通过上述涂膜方法和涂膜设备，电池极片膜层的厚度得到了控制，使其达到了最佳膜层要求，并且实现了电池极片膜层的均匀一致性，误差保持在±1μm范围内，并且在通过电池极片涂膜作业产业化而极大提高了涂膜效率的同时，显著延长了锂离子电池的寿命。

附图说明

图1是表示根据本发明的涂膜设备的示意图。

附图标记一览表

1-浆料槽1；2-浆料输送管2；3-涂膜头；4-温控装置；5-搅拌装置；6-动力辊；7-极片跳涂装置7；8-送片装置；9-烘干系统；10-收片装置；11-定位感应器11；

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的涂膜设备和涂膜方法进行详细说明。

如图1所示，根据本发明的、用于锂离子电池极片的涂膜设备主要包括浆料槽1和涂膜头3，其中在浆料槽中准备好的浆料通过将了输送管2被输送至涂膜头3。在浆料槽1中设有搅拌装置5，尽管此搅拌装置如图1所示成搅拌叶片的形式，但是本发明不局限于此，也可以为此采用其它形式的搅拌机构例如搅棒等。在浆料输送管2中，例如可以设置阀门来控制浆料的输送。根据本发明的涂膜设备还包括温控装置4，用于将涂膜设备中的浆料控制在预定温度范围。为此，温控装置4至少包括设置在浆料槽1处的第一加热机构尤其是电阻式加热机构(未示出)，用于加热浆料槽以将其中的涂膜浆料的温度控制在预定范围。第一加热机构优选是电阻丝，其通过相应的电路与控制器或控制中心相连，所述控制器或控制中心又通过设置在浆料槽处的温度传感器来检测涂膜浆料的温度并依据检测数据来控制电阻丝的工作和功率。当然，本发明不局限于上述电阻式加热机构和与之连用的控制系统。通过借助第一加热机构的加热和借助搅拌装置的搅拌，浆料槽内的浆料保持均匀一致性以及最佳的涂膜温度，由此保证浆料具有合适的流动性，进而保证浆料以均匀方式涂膜在电池极片上，而且利用上述涂膜设备，实现了锂离子电池极片涂膜作业的产业化。

根据本发明的一个优选实施例，为了将整个涂膜设备控制在预定的温度范围内，除了第一加热机构外，温控装置4还可以包括用于浆料输送管2的第二加热机构或保温机构、以及用于涂膜头的第三加热机构或保温机构，借此保证浆料温度在整个涂膜过程中恒定不变。在这里，第二和第三加热机构或者说保温机构可以采用现有技术的装置和构造，例如可以为此采用保温袋或保温管道，其利用保温介质如热流体来实现保温，或者可以采用电阻式加热机构等。优选使用与浆料输送管2同轴线布置的保温管道作为用于保持浆料输送管2的温度的保温机构。当然，如果从浆料槽送来的涂膜浆料的温度在涂膜头处仍然处于预定范围，则无需为浆料输送管和涂膜头设置各自的加热机构或保温机构。

本发明的涂膜设备还包括工件输送装置，在这里，其包括由送片架和动力辊6构成的送片装置8和由收片架和动力辊6构成的收片装置10。通过设置上述送片装置和收片装置，可以实现涂膜工件即极片的边收边放，实现连续涂膜操作。根据本发明，上述动力辊6例如被调速电机带动。本发明的涂膜设备还包括极片跳涂装置，用于通过定位感应器11实现极片涂膜的跳越。在本发明的一个优选实施例中，上述涂膜设备还可以包括其温度可在0℃至150℃范围内调节的烘干系统9如烘箱，用于对涂膜处理后的极片进行烘干处理，所述烘箱优选设置在送片装置8和收片装置10之间，靠近收片装置10。

在本发明的一个实施例中，本发明的涂膜头4优选是一个其涂膜头缝的长度和/或宽度可调的涂膜工具，涂膜头缝的长度和/或宽度的调节可通过控制器或控制中心依靠电动机及相应的传动装置来实现。这样的涂膜头可以被单独用于控制极片涂膜层的涂膜尺寸尤其是厚度。不过，在浆料槽1配有压力控制装置的情况下，可以通过控制涂膜头缝的宽度和浆料压力来间接控制浆料流量，进而控制涂膜层厚度。

如上所述，本发明对涂膜浆料的具体组成和成分含量没有特殊限制，为此可以采用并参照现有技术中的产品，例如中国专利申请公开号CN1838468A所述的成膜材料。以下，仅以含有聚偏氟乙烯-六氟丙烯PVDF-HFP、SiO₂(Al₂O₃)、丁酮、正丁醇和碳酸二乙酯DEC的涂膜浆料为例，描述本发明涂膜设备的工作参数。

在涂膜浆料具有上述成分的前提下，本发明的涂膜设备中的第一加热机构被设定为用于加热浆料槽以将浆料槽内的涂膜浆料温度控制在30℃至80℃的范围。在涂膜设备包括第二和第二加热机构或者说保温机构的情况下，涂膜浆料温度在浆料输送管和涂膜头处也被保持在30℃至80℃的范围，此时的涂膜浆料的粘度保持在50mPa·s至150mPa·s。在设有烘干系统9的情况下，烘干系统的温度可以被设定在50℃至150℃。

以下，具体说明本发明的用于锂离子电池极片的涂膜方法。

本发明的涂膜方法包括以下步骤：给浆料槽1提供涂膜浆料，在这里，浆料槽1中的涂膜浆料的温度被保持在预定范围内并且涂膜浆料被搅拌。这种搅拌最好是连续的。以含有聚偏氟乙烯-六氟丙烯PVDF-HFP、SiO₂(Al₂O₃)、丁酮、正丁醇和碳酸二乙酯DEC的涂膜浆料为例来描述涂膜浆料的制备：首先，将PVDF-HFP和SiO₂在80℃的真空干燥箱中干燥24小时；接着，配置SiO₂悬浮液，为此SiO₂被加入到丁酮、正丁醇和DEC中并进行搅拌；然后，溶解PVDF-HFP，为此，在加热条件下，例如加热温度为50℃，将PVDF-HFP溶解在丁酮中，溶剂量以搅拌器能自由搅拌为准，直至完全溶解至透明；最后，混合上述的SiO₂悬浮液和PVDF-HFP溶液，此时的浆料浓度为7％，粘度为50mPa·s。在这种情况下，用第一加热机构将浆料槽1中的涂膜浆料的温度被保持在30℃至80℃的范围内。

本发明的涂膜方法还包括以下步骤：把浆料槽1内的涂膜浆料输送给涂膜头3；用涂膜头3对锂离子电池极片如负极片进行涂膜，其中在涂膜头3处，涂膜浆料的温度被保持在预定范围内。如上所述，为此可以为涂膜头3和/或浆料输送管设置各自的加热机构或保温机构。

本发明方法的一个优选实施例包括，在完成极片涂膜作业后，对极片进行烘干处理。此时的涂膜设备的烘干系统的设定温度可以为100℃。本发明的方法还包括在涂膜前调节涂膜头4的涂膜头缝的长度和/或宽度。

在完成电池极片的涂膜作业后，接着进行电池的制作，其主要工序是：制片(正极片例如由中信国安盟固利动力科技有限公司提供)、封装、注液(采用1mol/L LiPF₆/乙烯碳酸酯EC+碳酸二乙酯DMC+碳酸甲乙酯EMC为电解液，体积比为1∶1∶1)、组装成容量为10Ah的铝塑膜锂离子电池，以及对电池进行预充化成。

对预充化成后的电池进行常温循环测试，在这里，充放电制度为：充电电流为1C，采用CC/CV充电，用1C恒流放电，循环结束后将电池恒充电至3.2V。测试结果表明，在经过960圈常温循环后，电池的容量剩余80.3％，容量衰减率为0.205‰。

尽管以上结合实施例对本发明做了具体说明，但本发明不应局限于上述实施例和特征组合方式，本领域技术人员可以在本申请的保护范围内显而易见地想到各种修改、改动和等同手段。

Claims (10)

1.一种用于锂离子电池极片的涂膜设备，包括浆料槽(1)和涂膜头(3)，该浆料槽(1)通过浆料输送管(2)与该涂膜头(3)相连以便为该涂膜头提供涂膜浆料，其中，该涂膜设备还包括用于对该浆料槽(1)中的浆料进行搅拌的搅拌装置(5)、以及用于在从该浆料槽(1)至该涂膜头(3)的范围内控制涂膜浆料温度的温控装置(4)。

2.如权利要求1所述的涂膜设备，其特征在于，该涂膜浆料含有聚偏氟乙烯-六氟丙烯、SiO₂(Al₂O₃)、丁酮、正丁醇和碳酸二乙酯。

3.如权利要求1所述的涂膜设备，其特征在于，该温控装置包括用于加热该浆料槽以便将该浆料槽内的涂膜浆料的温度控制在预定范围内的第一加热机构、和用于加热或保温该涂膜头以在该涂膜头处保持涂膜浆料温度的第二加热机构或保温机构。

4.如权利要求2所述的涂膜设备，其特征在于，该温控装置包括用于加热该浆料槽以便将该浆料槽内的涂膜浆料的温度控制在30℃至80℃的第一加热机构、和用于加热或保温该涂膜头以在该涂膜头处保持该涂膜浆料温度的第二加热机构或保温机构。

5.如权利要求3或4所述的涂膜设备，其特征在于，该温控装置还包括第三加热机构或保温机构，用于加热或保温该浆料输送管(2)以便在该浆料输送管处保持涂膜浆料温度。

6.如权利要求1所述的涂膜设备，其特征在于，该涂膜头(3)具有长度和/或宽度可调节的涂膜头缝。

7.如权利要求1所述的涂膜设备，其特征在于，该涂膜设备还包括由送片架和动力辊构成的送片装置(8)、由收片架和动力辊构成的收片装置(10)、和极片跳涂装置，该极片跳涂装置通过定位感应器(11)实现极片涂膜的跳越。

8.一种用于锂离子电池极片的涂膜方法，包括以下步骤：

给浆料槽提供涂膜浆料的步骤，其中浆料槽内的涂膜浆料的温度被保持在预定范围内并且该涂膜浆料被搅拌；

将该浆料槽内的涂膜浆料输送给涂膜头的步骤；和

利用该涂膜头对锂离子电池极片进行涂膜的步骤，其中在该涂膜头处，涂膜浆料的温度被保持在预定范围内。

9.如权利要求8所述的涂膜方法，其特征在于，该涂膜浆料含有聚偏氟乙烯-六氟丙烯、SiO₂(Al₂O₃)、丁酮、正丁醇和碳酸二乙酯，并且在所述的给浆料槽提供涂膜浆料的步骤中，用第一加热机构加热该浆料槽，以将浆料槽中的涂膜浆料温度控制在30℃至80℃，而且在所述的利用该涂膜头对锂离子电池极片进行涂膜的步骤中，用第二加热机构或保温机构加热或保温该涂膜头以保持涂膜浆料温度，所述涂膜浆料的粘度为10mPa·s至100mPa·s。

10.如权利要求8或9所述的涂膜方法，其特征在于，在涂膜前调节该涂膜头的涂膜头缝的长度和/或宽度。

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