CN102779978B - 一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂离子电池生产设备技术领域，涉及向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，包括用于放置和牵引负极片的收放卷机构、丝网电极、转印电极、用于放置锂粉的喂料机构和用于带动喂料机构移动的移动机构，丝网电极和转印电极分别位于负极片的上方和下方，并且丝网电极和转印电极分别与高压直流电源电连接，移动机构位于丝网电极的上方，丝网电极连接有第一振动电机，丝网电极底部设置有丝网底板。相对于现有技术，本发明能够使锂粉均匀、定量、精确的分散在负极片表面，而且不会挤压锂粉，避免对锂粉的破坏。高压直流电源提供的静电效应，可以控制锂粉的加入量和锂粉在极片的分散程度。此外，本发明还公开了一种采用该装置向负极片补充锂粉的方法。

Description

一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置和方法

技术领域

本发明属于锂离子电池生产设备技术领域，尤其涉及一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置和方法。

背景技术

锂离子电池由于具有高电压、高能量密度和长循环寿命的优势，成为应用范围最广的二次电池之一。但随着便携式电子设备微型化、长待机的不断发展，以及电动自行车、电动汽车等大功率、高能量设备的启用，都对作为储能电源的锂离子电池的能量密度的提出了越来越高的要求。

对于负极片来说，在电池的首次充电过程中都会由于固体电解质膜（SEI膜）的形成而消耗部分锂，由此而造成正极材料锂的损失，从而降低了电池的容量，造成首次效率的降低。这在以合金材料（如硅合金和锡合金等）为活性物质的负极片中表现得尤为明显。

为了减少由于电池在首次充放电过程中的不可逆容量带来的电池容量的降低，已有一些专利文献报道了一些解决方法。例如公开号为CN1290209C的中国专利申请提到将锂金属、负极材料和非水液体混合形成浆料，将浆料涂覆到集流体上，然后干燥浆液，该方法虽然能够提高首次效率，但由于金属锂反应活性较高，整个操作环境需要在无水的干燥环境中进行，导致工序复杂。另外选择的非水液体在混合过程中不能和金属锂粉反应，此类非水液体大多为易燃易爆的液体，比如该专利申请中提到的四氢呋喃，甲苯和烃类溶剂等。而且后续的涂覆、冷压和卷绕工艺都必须在干燥环境下进行，对环境要求苛刻，负极片制作成本较高。

再如申请号为JP1996027910的日本专利申请采用将金属锂片覆盖在负极片表面，然后卷绕制成电池，然后灌注电解液的方法制备锂离子电池。该方法虽然也能起到补锂的作用，然而负极片能够吸收的锂的量远远小于金属锂片提供的锂，因此会造成嵌锂的不均匀，并导致极片的变形，而且后续循环中也容易出现析锂。

另外，申请号为JP2005038720的日本专利申请则提到采用真空蒸镀的方法在负极片表面蒸发成一层金属锂层，虽然蒸镀的锂层的厚度比金属锂片要薄，然而该过程中金属锂层的厚度较难控制，而且整个过程必须在真空环境下，蒸发效率也较低，后续极片的转移处理也较复杂，成本较高。

有鉴于此，确有必要提供一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置和方法，该装置和方法利用了静电效应的原理，能够将金属锂准确、定量、均匀地分散在负极片的表面，从而对负极片起到补锂作用；并且整个制备过程工序简单、成本低、适合于量产。

需要说明的是，近年来也有利用静电效应来进行粉末涂装的技术出现，例如专利文献1（日本特公昭64-9955号公报）公开了一种向海绵状的辊表面供给粉体，并在丝网电极中旋转使粉体掉落，粉体通过丝网电极的孔掉落实现均匀供给的方法；再如专利文献2（日本特公昭61-116578号公报）公开了向丝网电极洒粉体，并对丝网进行上下振动，实现粉体供给的方法。还如，专利文献3（公开号为CN102348511A的中国专利申请）公开了向丝网电极洒粉体，并用刷子将其铺匀并挤压使粉体掉落的一种粉体涂布方法。但是，上述技术存在如下问题：首先，粉末很难定量供给。例如，专利文献1采用辊涂布的场合，粉体量的均匀性由料斗供给到辊上的粉体量的均匀性来决定，而辊上的粉体，部分被海绵状的辊吸收，一部分在海绵状的辊曲面任意地跳回，难以通过辊来实现粉料定量供给。另外，专利文献2同样存在无法定量供给粉料的问题，由料斗洒到丝网电极上的粉料初次分布不均匀，造成抖落的粉料不均匀。

其次，粉料供给过程存在接触挤压的动作，例如，专利文献1的辊上的粉料与丝网的挤压，专利文献3的刷子对粉料与丝网的挤压。这对于锂粉等软性粉末而言，极易破坏其结构且易粘附于接触件表面，造成无法定量供给且操作过程困难。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足而提供一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，采用该装置能够将金属锂准确、定量、均匀地分散在负极片的表面，从而对负极片起到补锂作用，以克服现有技术中的补锂技术嵌锂不均匀、不能准确地定量嵌锂、对环境要求苛刻和制作成本高的不足。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，包括用于放置和牵引负极片的收放卷机构、丝网电极、转印电极、用于放置锂粉的喂料机构和用于带动所述喂料机构移动的移动机构，所述丝网电极和所述转印电极分别位于负极片的上方和下方，并且所述丝网电极和所述转印电极分别与高压直流电源电连接，所述移动机构位于所述丝网电极的上方，所述丝网电极连接有第一振动电机，所述丝网电极底部设置有丝网挡板，所述丝网挡板和所述转印电极分别位于负极片的上方和下方。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，所述喂料机构底部设置有喂料挡板。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，所述丝网电极上方设置有由绝缘部件组成的封闭空间，所述喂料机构、所述移动机构和所述丝网电极均设置于所述封闭空间内。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，所述喂料机构包括料斗和第二振动电机，所述料斗内安装有至少一层过滤网，所述料斗的进口设置有密封盖子，所述第二振动电机设置于密封盖子。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，所述高压直流电源提供的电压为500V-10kV。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，所述第一振动电机和所述第二振动电机的振动频率为20Hz-300Hz。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，所述转印电极的上表面和下表面设置有酚醛塑料板。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，所述丝网电极包括铝制框架和不锈钢过滤网，所述铝制框架和所述不锈钢过滤网粘接或焊接连接，所述不锈钢过滤网的孔径为60-100μm。

作为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的一种改进，还包括可编程逻辑控制器，所述移动机构、所述第一振动电机、所述第二振动电机、所述喂料挡板、所述丝网挡板和所述高压直流电源均与所述可编程逻辑控制器连接。

相对于现有技术，本发明通过喂料机构、移动机构、丝网电极和转印电极，以及分别与丝网电极和转印电极电连接的高压直流电源的共同作用，使得锂粉能够均匀、定量、精确的分散在负极片表面，而且不会挤压锂粉，避免对锂粉这一类的软性粉末造成破坏。高压直流电源提供的静电效应，可以控制锂粉的运动，克服金属锂粉在空气中的漂浮，同时可以控制锂粉的加入量和锂粉在极片的分散程度。经锂粉均匀分散在负极片表面后，后续经过滚压和卷绕等工序，并灌注电解液，可以使金属锂经过电化学扩散进入负极片内部，为负极片提供活性金属锂粉，即补锂，从而为电池循环提供锂源，提升首次效率，提高电池容量，提高循环，而且加入锂源还可以除去电解液中的水分，抑制HF酸的产生，改变电极材料的电极电位，使得正极在较适合的工作电位下工作，从而保护正极材料的结构不受破坏。

本发明的另一个目的在于提供一种向锂离子电池负极片补充锂粉的方法，包括以下步骤：第一步，将冷压后的负极片放置在收放卷机构上，在关闭丝网挡板的情况下，启动装有锂粉的喂料机构和移动机构，使锂粉到达丝网电极。

第二步，打开所述丝网挡板，启动高压直流电源，并开启与所述丝网电极连接的第一振动电机，使丝网电极上的锂粉在电场的作用下吸附于负极片的表面。

相对于现有技术，本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的方法能够锂粉能够均匀、定量、精确的分散在负极片表面，而且不会挤压锂粉，从而实现对负极片的补锂操作。整个工艺过程只需要在干燥环境中进行，无需在制备浆料的过程中加入锂粉，缩小了对浆料溶剂的限制，制作工序简单，成本低，适合量产。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明。

图1为本发明向锂离子电池负极片补充锂粉的装置的结构示意图。

其中：1-高压直流电源，2-转印电极，31-放卷辊，32-收卷辊，33-导辊，34-压辊，4-负极片，5-丝网挡板，6-丝网电极，7-绝缘部件，8-移动机构，9-喂料机构，10-第二振动电机。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种向锂离子电池负极片4补充锂粉的装置，包括用于放置和牵引负极片4的收放卷机构、丝网电极6、转印电极2、用于放置锂粉的喂料机构9和用于带动喂料机构9移动的移动机构8，丝网电极6和转印电极2分别位于负极片4的上方和下方，并且丝网电极6和转印电极2分别与高压直流电源1电连接，移动机构8位于丝网电极6的上方，丝网电极6连接有第一振动电机10。其中，收放卷机构包括放卷辊31、收卷辊32和位于放卷辊31和收卷辊32之间的两个导向辊33，其中，靠近收卷辊32的一个导向辊33的正上方设置有压辊34，该压辊34施加的压力为0.1-100Mpa，目的让分散在负极片4表面的锂粉粘结在负极片4上，防止锂粉脱落。需要注意的是，该压辊34施加的压力，不能太大，否则会使锂粉的结构遭到破坏。收放卷机构可以实现向负极片4补充锂粉的过程的连续操作。通过调节负极片4经过电场的速度，还可以控制铺洒的锂粉量。移动机构8包括步进电机、皮带和滑轨，滑轨设置在皮带上，其作用是使喂料机构8在其上能够左右来回匀速运动。第一振动电机10为两个，两个第一振动电机10对称设置于丝网电极6的两侧。丝网电极6底部设置有丝网挡板5，丝网挡板5和转印电极2分别位于负极片4的上方和下方，丝网挡板5关闭的情况下停止锂粉转印。

其中，喂料机构9底部设置有喂料挡板，在喂料挡板关闭状态的情况下停止喂料，打开喂料挡板即可进行喂料，整个喂料机构9在移动机构8的带动下沿左右方向来回水平匀速移动，将锂粉均匀铺洒于丝网电极6上。具体操作过程中，当丝网挡板5关闭时，打开喂料挡板，在移动机构8的作用下，喂料机构9匀速移动，然后打开第二振动电机喂料，将锂粉均匀铺洒于丝网电极6中。锂粉在丝网电极6上的初次分布均匀性对锂粉转印的均匀性影响较大，因此在锂粉铺洒均匀后，打开丝网挡板5，打开第一振动电机10，锂粉在振动下透过丝网电极6均匀掉落，在电场中迅速吸附于负极片4表面，避免粉尘的飞扬。极片在收放卷机构带动下连续通过均匀电场，控制走带速度即可实现极片上锂粉量的可调。因此，通过该机构可定量、均匀的将锂粉分散于负极片4上。在这整个的过程中，无接触性挤压动作，采用抖动洒粉，对于锂粉等软性干粉是十分必要的。

丝网电极6的上方还设置有由绝缘部件7组成的封闭空间，喂料机构9、移动机构8和丝网电极6均设置于封闭空间内，该封闭空间的设置一方面防止粉尘飞扬逸出，另一方面增加高压电场中的安全性，避免安全事故。绝缘部件7的材质为酚醛塑料板，由五块酚醛塑料板和丝网电极6组成密封空间，丝网电极6的过滤网应当设置在整个密封空间内。

喂料机构9包括料斗和第二振动电机，料斗内安装有至少一层过滤网，优选的，料斗内部安装两层不同目数的过滤网，上层的目数为100目，下层的目数为200目，过滤网的材质可选择为不锈钢，料斗的材质可选择为铝，两层不同目数的过滤网有利于提高锂粉的初次分布的均匀性；料斗的进口设置有密封盖子；第二振动电机设置于密封盖子，通过第二振动电机的振动带动密封盖子的振动，通过密封盖子的振动带动整个料斗以振动的方式喂料。这种喂料机构9可称之为多层滤网式抖料式喂料机构9，通过多层滤网及抖料的方式，可以实现打散团聚的粉末及提高初次锂粉分布的均匀性的作用。

高压直流电源1提供的电压为500V-10kV。通过高压直流电源1在丝网电极6与转印电极2之间形成稳定的平行静电场，实现锂粉的静电吸附，使锂粉均匀稳定地吸附在负极片4的表面。高压直流电源1提供的静电效应，可以控制锂粉的运动，克服金属锂粉在空气中的漂浮，同时可以控制锂粉的加入量和锂粉在负极片4的分散程度。另外，高压直流电源1提供的电流为2mA，低电流可以保证操作的安全性。

第一振动电机10和第二振动电机的振动频率为20Hz-300Hz，优选为50Hz-150Hz，通过强度可控的高频振动电机，实现锂粉掉落的量的可控性。

转印电极2的上表面和下表面均设置有酚醛塑料板，转印电极2本身的材质选择为铜，酚醛塑料板的厚度为1-3mm，酚醛塑料板可起到绝缘的作用。

丝网电极6包括铝制框架和不锈钢过滤网，铝制框架和不锈钢过滤网粘接或焊接连接，不锈钢过滤网的孔径为60-100μm，从而保证锂粉颗粒顺利通过不锈钢过滤网。优选的，丝网电极6和转印电极2平行设置，且二者之间的距离为25-35mm。

该装置还包括可编程逻辑控制器，移动机构8、第一振动电机10、第二振动电机、喂料挡板、丝网挡板5和高压直流电源1均与可编程逻辑控制器连接。具体的，根据经验参数，设定第一振动电机10和第二振动电机的震动强度为8000rpm，移动机构8的移动速度为0.1m/s。另外，喂料挡板和丝网挡板5的打开和关闭时间，以及高压直流电源1的打开和关闭时间都是可以根据经验参数预先设定的，从而实现对负极片4的定量补锂，以及实现一定程度的自动化，减少人为操作的影响。

本发明还提供了一种采用以上装置向锂离子电池负极片补充锂粉的方法，包括以下步骤：第一步，将冷压后的负极片4放置在收放卷机构上，使负极片4位于丝网挡板5和转印电极2之间，并且负极片与丝网挡板5和转印电极2均平行，在丝网挡板5关闭的情况下，打开喂料挡板，启动移动机构8，在移动机构8的作用下，喂料机构9匀速移动，然后打开位于料斗的密封盖子上的第二振动电机，通过第二振动电机的振动带动密封盖子的振动，通过密封盖子的振动带动整个料斗以振动的方式喂料，将锂粉均匀铺洒于丝网电极6中。

第二步，启动高压直流电源1，从而在丝网电极6与转印电极2之间形成稳定的平行静电场，然后打开丝网挡板5，并开启与丝网电极6连接的第一振动电机10，使分散在丝网电极6上的锂粉在静电场的作用下快速稳定均匀地吸附于负极片4的表面。

负极片4连续通过电场，整个过程连续进行，料斗始终以设定速度抖料铺粉，收放卷机构始终以恒定速度牵引负极片4，表面分散有锂粉的负极片4在压辊34的作用下，锂粉很好的粘接在负极片4的表面，完成操作。

改变收放卷机构的牵引速度和电场强度的控制可以使负极片4分散的锂粉的量得到精确控制，使锂粉准确、定量、均匀地分散在负极片表面，而且不会挤压锂粉，从而实现对负极片的补锂操作。补充的锂粉可以为电池循环提供锂源，提升首次效率，提高电池容量，而且加入锂源还可以除去电解液中的水分，抑制HF酸的产生，改变电极材料的电极电位，使得正极在较适合的工作电位下工作，从而保护正极材料的结构不受破坏，提高电池的循环使用寿命。

另外，整个制备过程工序简单、成本低，尤其当采用可编程逻辑控制器时，还能实现自动化生产，是该方法特别适合于量产，提升生产效率，降低生产成本。

在连续操作过程中，要定期对料斗进行补充锂粉操作。补充锂粉的操作应恢复补锂操作的初始状态。即，关闭喂料挡板与丝网挡板5，并关闭第一振动电机10和第二振动电机与移动机构8，并使负极皮4停止运动，然后取下密封盖子，在关闭喂料挡板的情况下进行加料操作，完成后，盖上密封盖子，防止粉尘飞扬。随后即可继续进行上述操作。

需要注意的是，补充锂粉的操作应将料斗取出放置于干燥密闭的空间内进行加料，防止锂粉飞扬，加料操作者应穿戴安全防护口罩、手套和衣服等。

整个锂粉吸附空间都处在相对稳定的电场中，除负极片4通过空间，其他空间都有绝缘材料做防护，避免锂粉飞扬。

连续补锂操作结束后，需对丝网电极6进行清洁处理，为避免停机时间太长，本发明中采用备用料斗做更替使用。

需要说明的是，以上只是简单的举例，对本发明没有任何的限定。因此，在其不脱离本发明的目的的情况下进行的变形和改进都属本发明的权利范围内。例如，本发明并不限定于针对锂离子极片的补锂操作，同样适用于其他干粉涂布的操作，即，本发明属于一种非接触式、定量、均匀的干粉涂布方式。

例如，在发明中丝网电极6可以采用除过滤网以外的其他具有丝网结构的形式，其目的是均匀洒料。

例如，本发明中多层滤网式抖料式喂料机构9，对滤网的安装位置和层数、第二振动电机的安装位置和数量，以及料斗的形状均没有任何限制，其目的是采用滤网分散，并且进行抖料洒粉。

例如，本发明中丝网电极6和转印电极2的距离，料斗的移动速度和振动强度都只是一个例子，对其做相应调整仍然属于本发明保护的范围。

例如，本实施方式中转印电极2上下均采用酚醛塑料，其目的是起绝缘保护作用，其他绝缘材料也同样适用。

Claims (10)

1.一种向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：包括用于放置和牵引负极片的收放卷机构、丝网电极、转印电极、用于放置锂粉的喂料机构和用于带动所述喂料机构移动的移动机构，所述丝网电极和所述转印电极分别位于负极片的上方和下方，并且所述丝网电极和所述转印电极分别与高压直流电源电连接，所述移动机构位于所述丝网电极的上方，所述丝网电极连接有第一振动电机，所述丝网电极底部设置有丝网挡板，所述丝网挡板和所述转印电极分别位于负极片的上方和下方，所述喂料机构包括料斗和第二振动电机，所述料斗的进口设置有密封盖子，所述第二振动电机设置于密封盖子。

2.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：所述喂料机构底部设置有喂料挡板。

3.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：所述丝网电极的上方设置有由绝缘部件组成的封闭空间，所述喂料机构、所述移动机构和所述丝网电极均设置于所述封闭空间内。

4.根据权利要求2所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：所述料斗内安装有至少一层过滤网，所述过滤网的材质选择为不锈钢。

5.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：所述高压直流电源提供的电压为500V-10kV。

6.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：所述第一振动电机和所述第二振动电机的振动频率为20Hz-300Hz。

7.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：所述转印电极的上表面和下表面均设置有酚醛塑料板。

8.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：所述丝网电极包括铝制框架和不锈钢过滤网，所述铝制框架和所述不锈钢过滤网粘接或焊接连接，所述不锈钢过滤网的孔径为60-100μm。

9.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片补充锂粉的装置，其特征在于：还包括可编程逻辑控制器，所述移动机构、所述第一振动电机、所述第二振动电机、所述喂料挡板、所述丝网挡板和所述高压直流电源均与所述可编程逻辑控制器连接。

10.一种向锂离子电池负极片补充锂粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将冷压后的负极片放置在收放卷机构上，在关闭丝网挡板的情况下，启动装有锂粉的喂料机构和移动机构，使锂粉到达丝网电极；

第二步，打开所述丝网挡板，启动高压直流电源，并开启与所述丝网电极连接的第一振动电机，使丝网电极上的锂粉在电场的作用下吸附于负极片的表面。