CN103050654B - 锂离子电池电极两面直接镀覆纳米纤维隔膜的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电极两面直接镀覆纳米纤维隔膜的装置，包括直流高压电源、喷头组驱动器、金属喷头组、料液输送泵、电极片放料辊、电极片取料辊、其特征在于：在电极片放料辊、电极片取料辊之间还至少设置有进镀膜区垂直段保持辊和出镀膜区垂直段保持辊，并且所述进镀膜区垂直段保持辊和出镀膜区垂直段保持辊均设置有张力调整机构。本发明的装置可实现连续化生产锂离子电池隔膜，生产效率高；而且制备得到的纳米纤维膜厚度易调节，薄厚均匀，孔隙分布均匀，通透性好，热稳定性好，受热收缩小。

Description

锂离子电池电极两面直接镀覆纳米纤维隔膜的装置

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池隔膜制造装置，更具体地说，本发明涉及一种连续同时在锂离子电池金属电极片两面直接镀覆纳米纤维膜的装置。

背景技术

随着锂离子电池的推广应用，人们对该类电池的性能提出了更高的要求，因此研究和开发性能更好的锂离子电池日益成为研究的热点领域。在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一，可隔离电池正负极，以防正负极出现短路，但其允许离子流快速通过，从而完成在电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。目前商品化的锂电池隔膜主要还是采用传统的方法，例如Celgard法生产，但该法生产所得隔膜的孔隙率和吸液量较低，不能满足大电流充放电的需要，且制作成本较高。另外采用传统的方法，一般均是通过叠片或卷绕的工艺将隔膜置于正极和负极之间来进行隔离，导致叠片或卷绕过程中隔膜与电极片附着不牢固，容易发生错位，从而引起正负极之间短路，从而使整块电池报废。

最新研究的方法是以静电纺丝技术制备的非织造布膜作为锂离子电池隔膜。静电纺丝所得纤维最主要的特点是纤维直径很细，具有高的比表面积，且所得亚微米级纤维堆积而成的层状膜具有较高的孔隙率和优异的离子电导率。例如，专利权人韩国科学技术研究院在专利文件CN1284888C记载了一种采用电荷感应纺丝工艺制备高分子纤维网的制备方法，可以制备包括聚偏氟乙烯(PVDF)在内的多种高分子聚合物材料。专利申请人江西先材纳米纤维科技有限公司在专利申请公开文本CN101974828A中记载了一种采用静电纺丝工艺制备共聚酰亚胺纳米纤维非织造布的制备方法，所述的非织造布主要用于电池隔膜。专利申请人浙江大学在专利申请公开文本CN102013516A中记载了一种采用静电纺丝工艺制备聚偏氟乙烯复合聚合物电解质的织造方法，所制备的聚合物电解质具有离子传导率高、力学性能好的优点。然而上述专利或专利申请文件所公开的制备方法制备的隔膜同样需要叠片或卷绕的工艺将隔膜置于正极和负极之间，但是静电纺丝法制出纳米纤维膜横向、纵向拉伸强度较小，穿刺强度也低，静电大，给锂离子电池制造商在叠片及卷绕时带来很大困难，也限制了静电纺丝法制取纳米纤维隔膜在锂离子电池行业中的发展。

美国专利US7279251B1记载了一种利用静电纺丝工艺直接在电极板上制备超细纤维聚合物隔膜的方法。但是该专利中采用的静电纺丝装置，生产速度极慢，不适合规模生产。美国专利US6713011B2记载了一种利用静电纺丝工艺织造隔膜的装置和方法，所述的装置仅能进行单面镀覆；并且采用该装置和方法，连续工业生产所得的聚合物隔膜成膜不均匀、双向收缩较多，不能用于锂离子电池隔膜的制备。

发明内容

为了克服现有技术的上述问题，特别是静电纺丝法制取纳米纤维隔膜在锂离子电池行业中使用所存在的技术问题，本发明提供一种连续同时在锂离子电池金属电极片两面直接镀覆纳米纤维膜的装置，该装置不仅实现了在电极双面直接镀覆纳米纤维隔膜，提高了静电纺丝法制取的纳米纤维隔膜的效率，而且显著提高了锂电池的品质和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种锂离子电池电极两面直接镀覆纳米纤维隔膜的装置，包括直流高压电源、喷头组驱动器、金属喷头组、料液输送泵、电极片放料辊、电极片取料辊、其特征在于：在电极片放料辊、电极片取料辊之间还至少设置有进镀膜区垂直段保持辊和出镀膜区垂直段保持辊，并且所述进镀膜区垂直段保持辊和出镀膜区垂直段保持辊均设置有张力调整机构。

优选地，所述装置中电极片放料辊的传动轴采用可滑动的气涨轴，电极片放料辊连接有磁力刹车机构。

优选地，所述装置中电极片取料辊的传动轴为气涨式滑差轴，气涨式滑差轴取料辊由取料辊驱动器驱动，所述取料辊驱动器通过气动式连接器与气涨式滑差轴连接，气涨式滑差轴上设置有取料卷张力调整滑差环和充气孔，取料辊驱动器上还设置有磁力刹车机构。

优选地，所述装置中还可以包括辉光放电装置，用于对待镀覆的电极片进行预处理；经过辉光放电预处理的电极片，能够进一步获得更加均匀的隔膜，并且能够显著提高隔膜与电极片的粘结强度，进一步提高材料的性能。

优选地，所述装置中，还可以包括电子束固化装置，用于对镀覆后的电极片进行固化处理；电子束固化可以在常温下进行，可以有效避免加热和冷却过程对隔膜均匀性的不利影响，提高隔膜的孔隙度均匀性。

优选地，所述装置中电极片的两面对称设置一对可移动的金属喷头组。

优选地，所述装置中直流高压电源的正高压接在金属喷头组的喷头上，另一端接在电极片取料辊上，电极片取料辊接地。

优选地，所述装置中还包括电控系统，电控系统用于控制直流高压电源的电力输出。

优选地，所述装置中在直流高压电源与电控系统之间装设防干扰隔离器。

优选地，所述装置中电极片放料辊通过气动连接器连接磁力刹车机构。

所述装置中，所述取料辊驱动器上还设置有磁力刹车机构。

本发明的装置的主要操作步骤如下：作为喷丝原料的聚合物溶液由计量输液泵精确定量地通过料液输送泵输送到金属喷头组；高压电场由直流高压电源产生，直流高压电源一端输出的正高压接在喷头上，另一端地线接在接收辊上。带电的聚合物溶液在电场力的作用下克服多针喷丝针头顶端的表面张力，分裂成纳米丝喷射向位于镀覆区垂直段的锂离子电池电极片的两面，通过控制电极片的张力和速度形成高孔隙率、高强度的网状纳米纤维隔膜。隔膜与电极材料涂层的结合强度大于电极涂层材料与电极基材(金属片)的结合强度。电极片在电极片放料辊、镀膜区垂直段保持辊、电极片取料辊构成的通道之间连续传送。

本发明的装置适合用于制备各种用于锂离子电池隔膜的聚合物纳米纤维薄膜，所述聚合物包括但不仅限于聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯共六氟丙烯、聚丙烯腈共异丁烯酸酯、或聚丙烯腈和聚偏氟乙烯的混合物。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：使锂离子电池隔膜制备、隔膜与电极材料的装配两个过程一次性完成；并且隔膜与电极材料的结合强度高，有效避免了现有技术中隔膜与电极片附着不牢固而导致的安全问题；本发明的装置可实现连续化生产锂离子电池隔膜，生产效率高；而且制备得到的纳米纤维膜厚度易调节，薄厚均匀，孔隙分布均匀，通透性好，热稳定性好，受热收缩小。采用本发明的装置制备得到的隔膜/电极复合材料，完全能够满足锂离子电池及动力锂离子电池的技术要求。

附图说明

图1为本发明一个实施例的锂离子电池电极两面直接镀覆纳米纤维隔膜的装置的示意图。

图中各附图标记所代表的含义如下：1-防干扰隔离器、2-直流高压电源、3-电极片放料辊、4-导向辊、5-对夹辊、6-张力调整机构、7-进镀膜区垂直段保持辊、8-被张紧的电极片、9-喷头组驱动器、10-喷头组支架、11-金属喷头组、12-出镀膜区垂直段保持辊、13-张力调整机构、14-双面镀膜后的电极片、15-电极片取料辊、16-取料辊驱动器、17-磁力刹车机构、18-气动式连接器、19-气涨式滑差轴、20-取料卷张力调整滑差环、21充气孔、22-磁力刹车机构、23-气动式连接器、24-气涨轴式放料辊。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释和说明。以下实施例仅是为了进一步说明本发明的技术方案，不能将其解释为对发明保护范围的限制。

实施例1

如附图1所示，本实施例所示的锂离子电池电极两面直接镀覆纳米纤维隔膜的装置，包括直流高压电源2；和位于直流高压电源与电控系统之间，以防止电源对电控系统干扰的防干扰隔离器1；电极片放料辊3，所述电极片放料辊3的传动轴采用可滑动的气涨轴24，气涨轴式放料辊通过气动式连接器23与磁力刹车机构22连接；用于对电极片进行导向的导向辊4；用于对电极片进行平整的对夹辊5；保持电极片垂直的进垂直镀覆区保持辊7；进垂直镀覆区保持辊7上设置有张力调整机构6；被张紧的电极片8两侧设置有喷头组驱动器9、喷头组驱动器连接有喷头组支架10、支架10上设置有金属喷头组11；保持电极片垂直的出垂直镀覆区保持辊12；出垂直镀覆区保持辊12上设置有张力调整机构13；经过垂直镀覆区双面镀覆的电极片14通过气涨式滑差轴取料辊15被收取；所述气涨式滑差轴取料辊15由取料辊驱动器16驱动，所述取料辊驱动器16通过启动式连接器18与气涨式滑差轴19连接，气涨式滑差轴19上设置有取料卷张力调整滑差环20和充气孔21，取料辊驱动器16上还设置有磁力刹车机构17。

另外，本发明的装置还可以包括辉光放电装置，用于对待镀覆的电极片进行预处理。预料不到的是，与常规的喷砂前处理相比，采用辉光放电处理不仅能够提高粘结强度，还有利于提高镀覆的均匀性，并且能够提高喷丝原料的聚合物溶液的利用率。另外，本发明的装置中，还可以包括电子束固化装置，用于对镀覆后的电极片进行固化处理；与通常的加热干燥或者红外固化相比，采用电子束固化可以有效避免加热和冷却过程对隔膜均匀性的不利影响，防止生成大孔，可以有效地避免了隔膜的穿透事故。

本实施例装置的操作方法如下：将成卷的电极片放入电极片放料辊3中，将电极片依次沿导向辊4、对夹辊5、进垂直镀覆区保持辊7、出垂直镀覆区保持辊12、气涨式滑差轴取料辊15穿好，调节电极片放料辊3、气涨式滑差轴取料辊15的磁力控制器及取料辊驱动速度，使电极片匀速平稳卷绕，调节进垂直镀覆区保持辊7、出垂直镀覆区保持辊12的张力，保证处于镀膜区的金属薄片垂直张紧且表面平整。开启供料泵及电极片两侧喷头组驱动器9，开启直流高压正电源1，调整喷头组驱动器9的速度使之与气涨式滑差轴取料辊15的卷绕速度相匹配，就可完成在电极片8两面同时连续镀膜。

实施例2

示意性地，采用实施例1所述的本发明的装置制备镀覆PVDF隔膜的电极片。本实施例仅仅是示意性的，除了PVDF隔膜以外，也可以镀覆其它隔膜。

配制含有重量浓度为9.5％的聚偏氟乙烯溶液，溶液的粘度在600-700mPa·S之间。金属铜箔表面涂布LiFePO₄改性的电极片在放料辊和取料辊间循环传送，电极片传送速度为100cm/min。喷头与取料辊之间施加的电场强度为1800V/cm，距离15cm，喷头移动速率20-50cm/min；通过张力调整机构，控制出镀膜区垂直段保持辊比进镀膜区垂直段保持辊张力高约2-3％，可以有效减小隔膜的收缩，提高薄膜厚度的均匀性。开启本发明的装置，聚偏氟乙烯溶液通过喷头对电极片进行镀覆，得到聚偏氟乙烯的纳米纤维电池隔膜。实际测得单面净膜厚12μm，所得薄膜厚度均匀、孔隙分布均匀、孔隙率60％、热稳定性好，90℃保持4h双向收缩＜0.5％。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，不能解释为以此限定本发明的范围，凡在本发明的权利要求书要求保护的范围内所做出的等同的变形和改变的实施方式均在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池电极两面直接镀覆纳米纤维隔膜的装置，包括直流高压电源、喷头组驱动器、金属喷头组、料液输送泵、电极片放料辊、电极片取料辊、其特征在于：在电极片放料辊、电极片取料辊之间还至少设置有进镀膜区垂直段保持辊和出镀膜区垂直段保持辊，并且所述进镀膜区垂直段保持辊和出镀膜区垂直段保持辊均设置有张力调整机构；电极片放料辊的传动轴采用可滑动的气涨轴，电极片放料辊连接有磁力刹车机构；电极片取料辊的传动轴为气涨式滑差轴，气涨式滑差轴取料辊由取料辊驱动器驱动，所述取料辊驱动器通过气动式连接器与气涨式滑差轴连接，气涨式滑差轴上设置有取料卷张力调整滑差环和充气孔，取料辊驱动器上还设置有磁力刹车机构；所述直流高压电源的正高压接在金属喷头组的喷头上，另一端接在电极片取料辊上，电极片取料辊接地；带电的聚合物溶液在电场力的作用下克服表面张力，分裂成纳米丝喷射向位于镀覆区垂直段的电极片两面，通过控制电极片的张力和速度形成网状纤维隔膜。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置中电子束固化装置，用于对镀覆后的电极片进行固化处理。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于在电极片的两面对称设置一对可移动的金属喷头组。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置中还包括电控系统，并且在直流高压电源与电控系统之间装设有防干扰隔离器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置还包括用于对电极片进行预处理的辉光放电装置。