CN101639312B

CN101639312B - 一种极片干燥设备和干燥方法

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Publication number: CN101639312B
Application number: CN2008101353880A
Authority: CN
Inventors: 谭江龙; 盛爱萍; 王炜娜; 王丽姝
Original assignee: Shanghai BYD Co Ltd
Current assignee: Shanghai BYD Co Ltd
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: CN101639312A

Abstract

一种极片干燥设备，其特征在于，该设备包括红外烘烤室和鼓风烘烤室，该红外烘烤室具有红外发生装置，鼓风烘烤室具有热风发生装置和排气孔。一种极片干燥方法，其特征在于，该方法使用上述极片干燥设备，该方法包括将待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤，再在鼓风烘烤室内烘烤。本发明的极片干燥设备及干燥方法通过在极片干燥过程中采用红外-鼓风分段干燥的方式，能够大幅度提高极片敷料的粘结强度和粘结一致性，使得极片在循环过程掉料情况减少，从而更加稳定。同时，采用本发明的干燥方法制得的电池极片，电阻率明显小于使用其他干燥方法制得的极片的电阻率，并且电阻率一致性很好。

Description

一种极片干燥设备和干燥方法

技术领域

本发明涉及一种极片干燥设备和干燥方法。

背景技术

锂离子电池具有体积小、能量高、无污染等优点，已经越来越广泛地应用于移动电话、数码相机、笔记本电脑等便携电子产品中。

在锂离子电池制造过程中，电池极片通常是这样制成的：将正/负极活性材料、导电剂(如需要)、粘结剂按一定比例在溶剂中混合，得到浆料，然后将浆料涂敷在集流体上，加热烘烤挥发除去所述溶剂。为了提高电池的能量体积密度(能量体积密度＝电池能量/电池体积)，通常会进一步对极片进行压延。现有技术的加热烘烤方法一般是在100-150℃的烘箱内以恒定的温度鼓风干燥5-30分钟。

在制造过程中发现，使用现有的粘结体系，按照常规的上浆涂布、烘烤干燥等工艺过程制得的锂离子电池极片在后续的压延及卷绕过程中会出现敷料的粘接强度偏低的现象，具体表现为出现极片掉料、变脆、有气孔等质量问题，用这种极片制成的锂离子电池常常出现容量偏低、循环性能差等现象。而如果单纯增加粘结剂用量，会降低活性物质的比例，降低电池的比容量，是不可取的。

CN 1851958A和CN 2819486Y中各自公开了一种电池极片涂覆装置，在上述两个装置中，均采用逐级红外加热的方式来将极片烘干。这种烘烤干燥方法是在设备中设置三个用来干燥极片的区域，三个区域中均采用红外加热的方式烘干极片，极片先后通过这三个区域，最后得到干燥的极片。该方法虽然在一定程度上提高了极片的质量，但是制得的极片剥离强度小，即正/负极材料对集流体的附着力小，也即敷料的粘接强度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的极片剥离强度低的缺点，提供一种能够提高极片的剥离强度的极片干燥装置以及使用该装置干燥极片的方法。

本发明的发明人通过试验研究发现，干燥过程中对极片性能影响很大，采用常规的鼓风烘烤，大量的溶剂要由烘烤所提供的热量来挥发除去，溶剂挥发速率直接影响正/负极材料的粘结性能和电阻率。溶剂移动的数量和方向会强烈影响粘结剂的迁移。往往会导致粘结剂迁移，从而使得极片粘结性能变差，同时还有生产效率低，电阻率分布宽等不良影响。

本发明的发明人还意外地发现，先用红外加热的方式烘烤极片，再用鼓风干燥的方式烘烤极片，可以大幅度提高极片敷料的粘结强度和粘结一致性。其原理主要涉及粘结剂迁移问题。鼓风烘烤是通过热风传热，从表面到内部将物质烘干的一种烘烤方式，其传热和传质方向相反，温度波动，对刚涂布好的极片影响很大。红外烘烤是通过红外灯管发射红外线，引起被烘烤物质内部分子振动加热烘干的，因此，极片涂布后先用红外干燥，将粘结剂的位置基本固定，进而再烘烤至干透，阻止了粘结剂迁移，因此粘结强度高且一致性较好。

本发明提供了一种极片干燥设备，其中，该设备包括红外烘烤室和鼓风烘烤室，该红外烘烤室具有红外发生装置，鼓风烘烤室具有热风发生装置和排气孔。

本发明还提供了一种极片干燥方法，其中，该方法使用一种极片干燥设备，该设备包括红外烘烤室和鼓风烘烤室，该红外烘烤室具有红外发生装置，鼓风烘烤室具有热风发生装置和排气孔，该方法包括将待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤，再在鼓风烘烤室内烘烤。

本发明的极片干燥设备及干燥方法通过在极片干燥过程中采用红外-鼓风分段干燥的方式，能够大幅度提高极片敷料的粘结强度和粘结一致性，使得极片在循环过程掉料情况减少，从而更加稳定。同时，采用本发明的干燥方法制得的电池极片，电阻率明显小于使用其他干燥方法制得的极片的电阻率，并且电阻率一致性很好。本发明的极片干燥设备及干燥方法对电池的正、负极片均适用。

附图说明

图1为本发明的极片干燥设备的一种具体实施方式的示意图。

图2为本发明的极片干燥设备用于极片生产过程的实施方式的示意图。

具体实施方式

本发明提供的极片干燥设备包括红外烘烤室和鼓风烘烤室，该红外烘烤室具有红外发生装置，鼓风烘烤室具有热风发生装置和排气孔。

所述红外发生装置可以为任何红外辐射加热器、红外加热灯、红外加热管、红外加热板等能够发生红外线的装置。例如，可以为贺利氏中波孪管红外辐射器，飞利浦S15007Z红外辐射器，三环SH21系列红外辐射器中的一种或几种。所述红外发生装置可以包括几个单独的红外发生器，所述单独的红外发生器的功率可以为0.5-1千瓦，红外发生器的个数可以为3-10个，几个红外发生器的总功率可以为3-6千瓦。

所述热风发生装置可以为任何能够产生热风的装置，只要使得鼓风功率可以为2-10千瓦，输出温度可以为50-200℃即可。例如，可以为申贤恒温鼓风干燥设备，路达鼓风干燥设备中的一种或几种。

所述排气孔为能够与外界进行气体交换的孔，用于将鼓风装置鼓入鼓风烘烤室的空气连同挥发的溶剂一起排出，该排气孔可以位于所述鼓风烘烤室的外壁的任何位置，优选情况下，排气孔位于所述鼓风烘烤室的顶部。

优选情况下，为了节约能源，该设备还可以包括抽风装置，该抽风装置可以将红外烘烤室内的空气抽到鼓风烘烤室中。

所述抽风装置可以为任何工业用或家用抽风机，例如，可以为上海喜乐和深宏远等普通抽风机。

图1为本发明的极片干燥设备的一种具体实施方式的示意图，其中，1为待干燥极片，2为红外烘烤室，3为鼓风烘烤室，4为红外发生装置，5为热风发生装置，6为排气孔，7为抽风装置。

为了便于整个极片干燥过程的流水线作业，本发明提供的极片干燥设备还可以包括极片传输装置8，该极片传输装置8贯穿所述红外烘烤室2和鼓风烘烤室3，优选情况下，该极片传输装置8位于红外烘烤室2和鼓风烘烤室3的底部，如图1所示。

所述极片传输装置可以为泰戈尔双工位电池涂布机或东晟锂电池涂布机。

为了便于整个极片生产过程的流水线作业，所述极片传输装置可以一端与浆料涂布装置9连接，另一端与极片压延装置10连接，如图2所示。

本发明还提供的极片干燥方法使用一种极片干燥设备，该设备包括红外烘烤室和鼓风烘烤室，该红外烘烤室具有红外发生装置，鼓风烘烤室具有热风发生装置和排气孔，该方法包括将待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤，再在鼓风烘烤室内烘烤。

在本发明的方法中，只要先用红外加热的方式烘烤极片，再用鼓风干燥的方式烘烤极片，就可以提高极片敷料的粘结强度和粘结一致性，但是优选情况下，为了更好地提高极片敷料的粘结强度和粘结一致性，待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤的条件和在鼓风烘烤室内烘烤的条件使得，以所述极片重量减轻的总量为基准，在红外烘烤室内的减轻量可以为20-60重量％，优选为30-50重量％；在鼓风烘烤室内的减轻量可以为40-80重量％，优选为50-70重量％。

根据本发明的极片干燥方法，其中，待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤的条件可以包括：所述红外烘烤室的红外线功率密度可以为5-60千瓦/平方米，优选为10-50千瓦/平方米，待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤的时间可以为10-200秒，优选为20-150秒；待干燥的极片在鼓风烘烤室内烘烤的条件可以包括：所述鼓风烘烤室的温度可以为70-150℃，优选为80-120℃，鼓风的功率可以为2-10千瓦，优选为3-5千瓦，待干燥的极片在鼓风烘烤室内烘烤的时间可以为30-500秒，优选为40-300秒。

根据本发明的极片干燥方法，其中，所述待干燥的极片可以为用于制备锂离子二次电池的待干燥的正极片或负极片。

所述待干燥的正极片包括正极集流体和涂覆在该正极集流体上的正极浆料。

所述正极浆料包括正极活性物质、粘结剂、导电剂和溶剂。以正极活性物质的重量为基准，粘结剂的含量可以为1-20重量％，导电剂的含量可以为0.5-15重量％，溶剂的含量可以为10-100重量％。本发明对所述正极活性物质没有特别限制，可以为本领域常规的可嵌入脱嵌锂的正极活性物质，优选以下物质中的一种或者其混合物：Li_xNi_1-yCoO₂(其中，0.9≤x≤1.1，0≤y≤1.0)、Li_1+aM_bMn_2-bO₄(其中，-0.1≤a≤0.2，0≤b≤1.0，M为锂、硼、镁、铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌、镓、钇、氟、碘、硫元素中的一种)、Li_mMn_2-nB_nO₂(其中，B为过渡金属，0.9≤m≤1.1，0≤n≤1.0)。所述粘结剂可以为含氟树脂和聚烯烃化合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)中的一种或几种，优选为SBR。所述导电剂可以为炭黑，乙炔黑，碳纤维、石墨和人造石墨中的一种或几种。所述溶剂可以选自N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二乙基甲酰胺(DEF)、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)、水和醇中的一种或几种。

所述正极集流体为本领域技术人员所公知，例如可以选自铝箔、铜箔或各种冲孔钢带。

所述待干燥的负极片包括负极集流体和涂覆在该负极集流体上的负极浆料。

所述负极浆料包括负极活性物质、粘结剂和溶剂。以负极活性物质的重量为基准，粘合剂的含量可以为1-20重量％，所述溶剂的用量可以为40-180重量％。所述负极活性物质没有特别限制，可以使用本领域常规的可嵌入释出锂的负极活性物质，例如碳材料，所述碳材料为选自非石墨化炭、石墨或由多炔类高分子材料通过高温氧化得到的炭或热解炭、焦炭、有机高分子烧结物、活性炭中的一种或几种。所述有机高分子烧结物可以是通过将酚醛树脂、环氧树脂等烧结并炭化后所得产物。所述的粘结剂可以为常规的锂离子电池负极用粘合剂，优选为PVDF、PTFE和SBR中的一种或几种，更优选为SBR。所述溶剂可以选自NMP、DMF、DEF、DMSO、THF、水和醇中的一种或几种。

所述负极集流体可以为锂离子电池中常规的负极集流体，如冲压金属、金属箔、网状金属或泡沫状金属。

下面，将通过实施例对本发明进行更详细的描述。

实施例1

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的正极片的制备

将LiCoO₂粉末、天然石墨、SBR和水以100∶3∶2∶50的重量比混合，调制成正极浆料。将上述正极浆料涂布在厚度为18微米铜箔的两个表面上，每个表面上的浆料涂布厚度为70微米，即制得待干燥的正极片。

(2)正极片的干燥

干燥设备如图1所示，其中，红外发生装置4为贺利氏中波孪管红外辐射器，热风发生装置5为申贤恒温鼓风干燥设备，抽风装置7为上海喜乐抽风机。使步骤(1)制得的正极片从图1所示的设备的左端进入设备，开始干燥，其中红外烘烤功率密度为25千瓦/平方米，烘烤的时间为80秒，重量损失为22.5克；鼓风烘烤的温度为90℃，鼓风的功率为3千瓦，时间为210秒，重量损失为45克。得到的干燥的正极片记作A1。

实施例2

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的负极片的制备

将人造石墨、SBR、CMC和水以100∶2.5∶1.5∶120的重量比混合，制得负极浆料，将该负极浆料均匀涂布在厚度为10微米的铜箔的两个表面上，每个表面上的浆料涂布厚度为70微米，即制得待干燥的负极片。

(2)负极片的干燥

干燥设备如图1所示，其中，红外发生装置4为飞利浦S15007Z红外辐射器，热风发生装置5为路达鼓风干燥设备，抽风装置7为深宏远抽风机。使步骤(1)制得的负极片从图1所示的设备的左端进入设备，开始干燥，其中红外烘烤功率密度为15千瓦/平方米，烘烤的时间为150秒，重量损失为45克；鼓风烘烤的温度为110℃，鼓风的功率为5千瓦，时间为80秒，重量损失为60克。得到的干燥的负极片记作B1。

实施例3

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的正极片的制备

同实施例1步骤(1)。

(2)正极片的干燥

使用与实施例2步骤(2)同样的设备。使步骤(1)制得的正极片从图1所示的设备的左端进入设备，开始干燥，其中红外烘烤功率密度为30千瓦/平方米，烘烤的时间为60秒，重量损失为19.2克；鼓风烘烤的温度为100℃，鼓风的功率为3千瓦，时间为180秒，重量损失为41克。得到的干燥的正极片记作A2。

实施例4

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的负极片的制备

同实施例2步骤(1)。

(2)负极片的干燥

使用与实施例1步骤(2)同样的设备。使步骤(1)制得的负极片从图1所示的设备的左端进入设备，开始干燥，其中红外烘烤功率密度为45千瓦/平方米，烘烤的时间为30秒，重量损失为40克；鼓风烘烤的温度为85℃，鼓风的功率为4千瓦，时间为250秒，重量损失为62克。得到的干燥的负极片记作B2。

实施例5

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的正极片的制备

同实施例1步骤(1)。

(2)正极片的干燥

按照与实施例2步骤(2)同样的方式干燥极片，其中，红外烘烤阶段的重量损失为25克，鼓风烘烤阶段的重量损失为41克。得到的干燥的正极片记作A3。

实施例6

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的负极片的制备

同实施例2步骤(1)。

(2)负极片的干燥

按照与实施例1步骤(2)同样的方式干燥极片，其中，红外烘烤阶段的重量损失为43克，鼓风烘烤阶段的重量损失为63克。得到的干燥的负极片记作B3。

实施例7

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的正极片的制备

同实施例1步骤(1)。

(2)正极片的干燥

按照与实施例4步骤(2)同样的方式干燥极片，其中，红外烘烤阶段的重量损失为20.5克，鼓风烘烤阶段的重量损失为43克。得到的干燥的正极片记作A4。

实施例8

本实施例用于说明本发明的极片干燥设备和极片干燥方法。

(1)待干燥的负极片的制备

同实施例2步骤(1)。

(2)负极片的干燥

按照与实施例3步骤(2)同样的方式干燥极片，其中，红外烘烤阶段的重量损失为40克，鼓风烘烤阶段的重量损失为65克。得到的干燥的负极片记作B4。

对比例1

本对比例用于说明现有技术的极片干燥方法。

(1)待干燥的正极片的制备

同实施例1步骤(1)。

(2)正极片的干燥

使用热风发生装置申贤恒温鼓风干燥设备将步骤(1)制得的正极片先在90℃，鼓风功率为3千瓦的条件下，鼓风烘烤300秒，重量损失为40克；再在120℃，鼓风功率为3千瓦的条件下，鼓风烘烤200秒，重量损失为28克，得到的干燥的正极片记作C1。

对比例2

(1)待干燥的负极片的制备

同实施例2步骤(1)。

(2)负极片的干燥

用与实施例1步骤(2)同样的红外发生装置和热风发生装置，将步骤(1)制得的负极片先在90℃，输出功率为3千瓦，鼓风烘烤180秒，重量损失为62克；再红外烘烤(功率密度为25千瓦/平方米)100秒，重量损失为42克，得到的干燥的负极片记作D1。

对比例3

本对比例用于说明现有技术的极片干燥方法。

(1)待干燥的负极片的制备

同实施例2步骤(1)。

(2)负极片的干燥

使用红外发生装置(贺利氏中波孪管红外辐射器)将步骤(1)制得的负极片先红外烘烤(功率密度为15千瓦/平方米)150秒，重量损失为61克；再红外烘烤(功率密度为25千瓦/平方米)100秒，重量损失为45克，得到的干燥的负极片记作D2。

性能测试

1、敷料强度测试

采用伺服系统全自动插拔力试验机(顺滢企业股份有限公司，1220S)，分别对极片样品A1、A2、B1、B2、C1、D1和D2进行敷料强度的测试。

具体方法如下：将极片两面分别粘结到两个夹具上，一个夹具固定到实验台下端，另一夹具固定到上端并连接有荷重元，试验机自动控制实验台下端的走速，将极片上的活性物质层与基体进行180度剥离，同时上端荷重元将剥离过程受力程度记录并输出，该数据即为极片的敷料强度范围，我们选择的极片宽度为40mm，剥离长度为100mm。结果列于表1。

2.电阻率测试

分别对极片样品A1、A2、B1、B2、C1、D1和D2进行电阻率的测试：采用广州四探针仪器公司设计制造的四探针测定仪，每种极片(A1、A2、B1、B2、C1、D1和D2)取10个样品，每个样品测定两次，记录数据，表1中列出的数据为每种极片测得的20个电阻率的最大值和最小值。

表1

编号	烘烤方式	敷料强度(g/40mm)	电阻率(Ω·cm)
				A1	红外-鼓风	15.2-15.8	0.4-0.49
A2	红外-鼓风	15.1-15.6	0.41-0.48
				A3	红外-鼓风	15-15.5	0.39-0.46
A4	红外-鼓风	15.2-15.7	0.43-0.49
				B1	红外-鼓风	14.9-15.3	0.4-0.46
B2	红外-鼓风	15.4-15.7	0.42-0.49
				B3	红外-鼓风	15.1-15.8	0.4-0.47
B4	红外-鼓风	15-15.6	0.41-0.48
				C1	鼓风-鼓风	10.4-12.2	0.52-0.81
D1	鼓风-红外	9.5-13.3	0.51-0.68
				D2	红外-红外	10.3-13.4	0.55-0.62

从表1中的数据可以看出，本发明提供的极片干燥方法能够大幅度提高极片敷料的粘结强度和粘结一致性，掉料情况减少。同时，采用本发明的干燥方法制得的电池极片，电阻率明显小于使用其他干燥方法制得的极片的电阻率，并且电阻率一致性很好。

Claims

1.一种极片干燥方法，其特征在于，该方法使用一种极片干燥设备，该设备包括红外烘烤室和鼓风烘烤室，该红外烘烤室具有红外发生装置，鼓风烘烤室具有热风发生装置和排气孔，该方法包括将待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤，再在鼓风烘烤室内烘烤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤的条件和在鼓风烘烤室内烘烤的条件使得，以所述极片重量减轻的总量为基准，在红外烘烤室内的减轻量为20-60重量％，在鼓风烘烤室内的减轻量为40-80重量％。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在红外烘烤室内的减轻量为30-50重量％，在鼓风烘烤室内的减轻量为50-70重量％。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤的条件包括：所述红外烘烤室的红外线功率密度为5-60千瓦/平方米，待干燥的极片在红外烘烤室内烘烤10-200秒；待干燥的极片在鼓风烘烤室内烘烤的条件包括：所述鼓风烘烤室的温度为70-150℃，鼓风功率为2-10千瓦，待干燥的极片在鼓风烘烤室内烘烤30-500秒。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设备还包括抽风装置，该方法还包括利用该抽风装置将红外烘烤室内的空气抽到鼓风烘烤室中。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述极片为用于制备锂离子二次电池的正极片或负极片。