CN103203550A - 基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置，属于激光加工技术和再制造技术领域。其特征是能量吸收层涂覆在矩形反射座的端部，优化过的激光脉冲经过光导管和氩气层辐照在能量吸收层上，能量吸收层吸收激光能量后气化、电离，产生高压等离子体，高压等离子体瞬间膨胀产生冲击波，冲击波迅速向SEI层内传播，产生应力波，使SEI层发生断裂并剥离锂离子电池电极表面，脱落的SEI层在氩气的推动下排出。本发明效果和益处是采用激光诱导冲击波来对电极清洗，避免激光对电极热损伤效应，不会对锂离子电池电极产生任何机械损伤。该装置结构简单、清洗锂离子电池电极需要的时间短，效率高，无污染，节能环保，是一种绿色的锂离子电池电极清洗的装置。

Description

基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置

技术领域

本发明属于激光加工技术和再制造技术领域，具体涉及一种基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置。

背景技术

电动汽车作为新一代节能环保汽车是汽车工业发展的必然趋势，并且电动汽车在全世界范围内逐步推广使用。然而，电动汽车所使用的锂离子电池是电动汽车发展的关键环节，也是限制电动汽车普及的主要瓶颈。目前，动力电池的成本占到了电动汽车总成本的三分之一，而且动力电池的使用寿命不长，一般充放电1000次左右，这些都严重制约着电动汽车的发展和普及。如何延长锂离子电池的使用寿命和降低其生产成本已成为各国科研工作者的主要竞争领域。近年来，随着自然资源的巨大消耗和人们环保意识的逐渐增强和再制造技术取得了飞速发展。对车用锂离子电极的再制造可极大地降低电池的生产成本和延长电池的使用寿命。车用锂离子电池的失效形式是电池容量衰减，其主要原因是，在锂离子电池中，除了锂离子脱嵌时发生的氧化还原反应外，还存在着大量的副反应导致电容量衰减，如电解液分解、活性物质溶解、电极表面沉积物等。由于上述反应的存在，电池在经过多次充放电以及过度充电的情况下，会在电极表面形成一层沉积物，即固体电解质界面层（Solid Electrolyte Interface, SEI）。然而，锂离子电池在实际多次充放电循环使用过程中SEI 层将会继续生长，富集的SEI层具有高电阻率，严重阻碍了Li⁺的迁移，而且富集程度越高，影响程度越大。同时产生的高阻抗物质会使石墨颗粒之间绝缘隔离，随着在高温条件下不断充放电，电极界面阻抗以及活性物质与导电物质间的绝缘隔离，不断导致电极性能恶化，最后导致锂离子电池容量衰减功率衰退而失效。要实现锂离子电池的循环使用，则必须要采取合适的方法去除电极表面的SEI层。目前常用清洗电极的方法主要有机械擦洗、化学清洗、电化学清洗、激光辐照清洗等。

机械擦洗是使用刀具或其它的机械装置对电极进行清洗，通常通过人工手持刀具刮削去除SEI层；或者通过机械手使刀具按照特定的路线对电极表面进行刮削去除SEI层。机械擦洗法所使用的装置简单，操作过程简便，但对工人的技术要求高。特别是对超薄电极片、较软的电极片和小尺寸的电极的清洗，机械擦洗的装置根本无法实现，其过程中会出现电极基体损伤、电极折断等破坏现象。

化学清洗是根据SEI层的化学成分，选择合适的化学试剂注入清洗槽中，将要清洗的电极放在清洗槽中放置一段时间，使化学试剂和SEI层充分反应，使SEI层软化、溶解、脱落，再用水将电极冲洗干净。该方法在除去SEI层过程中，由于化学试剂剂量难以精确控制，SEI层的厚薄不均匀，化学试剂对SEI层作用的同时，会对电极基体有一定的损伤或腐蚀，而且SEI层的成分十分复杂，这要求用多种化学试剂对电极进行处理，导致化学清洗工艺十分复杂，容易对工人的健康产生危害和对环境造成严重污染，操作安全性不高。其装置非常简单，就一个清洗槽，整个清洗过程均在清洗槽中完成，在清洗过程中随着反应的不断进行，清洗剂会不断的消耗，会导致部分SEI层不能完全溶解，清洗效果不佳。同时，溶解的SEI层不能及时地排出。

电化学清洗是利用专用试剂电解后的强氧化性质，通过腐蚀、氧化和清洗相结合，来去除电极表面SEI层，再用水将电极冲洗干净。该方法在除去SEI层过程中，由于难以精确控制通电时间，SEI层厚薄不均匀，电解后的强氧化物质对SEI层作用的同时，会对电极基体有一定的破坏作用。整个电解过程在电解槽中进行，也会导致部分SEI层不能完全溶解，清洗效果不佳和溶解或氧化的SEI层不能及时地排出，同时，电化学清洗的操作安全性不好，强氧化性物质严重威胁着工人的健康，对环境的污染也十分严重。

激光辐照清洗是利用高能的激光束通过一个光学窗口对锂离子电池电极表面进行辐照，以去除其表面的SEI层，达到电极表面清洗的目的。该方法所使用装置简单，可根据SEI层的厚薄来精确控制优化各项激光参数，从而达到无损地除去SEI层的目的，但在实际操作中，由于SEI层的厚度很难精确测定，加之激光处理过程中的力、热、化学、光化学等场的耦合作用，很难对激光参数进行精确控制，往往会产生严重的热烧伤，使电极片直接报废。同时，装置简单没有防护措施，SEI层烧蚀后直接排放到空气中，严重威胁着工作人员的健康和污染环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光冲击波技术清洗电动汽车锂离子电池电极的装置，实现对电动汽车锂离子电池电极的无损清洗，同时，解决对超薄电极片、较软的电极片和小尺寸的电极进行清洗的难题。

本发明的技术方案是：所提供的一种基于激光冲击波技术清洗电动汽车锂离子电池电极的装置包括激光发生器1、导光系统、工件装夹系统和控制系统，其中导光系统包括导光管2、全反镜4、冲击头5，导光管2始端连着激光发生器1、导光管2依次把全反镜4和冲击头5连接起来，导光管2的终端对着工件装夹系统；工件装夹系统包括喷气嘴6、矩形夹具装置7、锂离子电池电极8、SEI层9、氩气10、能量吸收层11、矩形管件夹持器12、矩形反射座14、工作台15、污垢收集箱16、导向支架17，喷气嘴6固定在冲击头5的一侧位于矩形夹具装置7上方，矩形反射座14插入夹持有电池电极8的矩形夹具装置7的内部，所述矩形反射座14的长宽均要小于矩形夹具装置7的长宽，矩形反射座14和装有锂离子电池电极8的矩形夹具装置7之间留有2~3mm间隙，矩形反射座14端部涂有黑漆作为能量吸收层11，氩气10充满整个矩形夹具装置7，矩形反射座14的下端固定在污垢收集箱16的底部，污垢收集箱16放置在工作台15上，矩形夹具装置7通过矩形管件夹持器12装夹在导向支架17上，导向支架17固定在工作台15上；控制系统包括控制器18和计算机19，计算机19通过控制器18控制矩形管件夹持器12和工作台15的运动，计算机19通过控制器18控制激光发生器1发出的激光脉冲束3。

本发明的实施过程如下：

1、装有锂离子电池电极的矩形夹具装置装夹在矩形管件夹持器上，矩形管件夹持器装夹在导向支架上，导向支架固定在工作台上；

2、将端部涂有黑漆吸收层作为能量吸收层的矩形反射座插入到带有锂离子电池电极的矩形夹具装置中，并调节矩形反射座端部与矩形夹具装置的相对位置；

3、向装有锂离子电池电极的矩形夹具装置中通入氩气，并根据脱落的SEI层的大小来调节通入氩气的流速；

4、激光器发出优化过激光脉冲束，经过导光系统辐照在能量吸收层上，产生的高压冲击波作用在SEI层上，使SEI层破裂、剥落，脱落的SEI层在氩气推动下，落入污垢收集箱中；

5、改变激光脉冲束与矩形反射座间的相对位置和矩形反射座与矩形夹具装置间的相对位置，在新位置上实行激光冲击波冲击，从而可以实现整个锂离子电池电极表面的完全清洗；

6、关闭激光器和气阀，取出洗净的锂离子电池电极。

本发明的效果和益处是：由于激光脉冲参数受控可调，脉冲能量可精确控制，因而激光诱导的冲击波峰值压力精确可控，其最大值可达几十个GPa，远远超过了SEI层的断裂极限，通过选择适当的参数使SEI层从锂离子电池电极表面剥落且对基体不产生任何损伤。氩气作为保护气，既阻止了锂离子电池电极的氧化，又增加了峰值压力，延长了冲击波的作用时间，同时带走冲击剥落后的SEI层。激光脉冲束不直接照射在SEI层上而是照射在矩形反射座端部的能量吸收层上，诱导激光冲击波除去SEI层，不会对锂离子电池电极的表面产生机械损伤，避免了激光的热效应对电极表面的烧伤，这些都会导致锂离子电池电极的报废，在除SEI层的同时，也对锂离子电池电极进行了表面改性，提高了再制造电池的使用寿命和能量密度。本发明装置结构简单，由于采用了矩形夹具装置，实现对超薄电极片、较软的电极片和小尺寸的电极进行清洗，同时作用时间短，去除SEI层的效率高，不需要使用任何化学试剂，是一种节能环保无污染的新技术。

附图说明

附图1是基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置结构示意图。

 附图2是基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置中矩形夹具装置剖面结构示意图。

图中：1激光发生器；2导光管；3激光脉冲束；4全反镜；5冲击头；6喷气嘴；7矩形夹具装置；8锂离子电池电极；9SEI层；10氩气；11能量吸收层；12矩形管件夹持器；13高压等离子体；14矩形反射座；15工作台；16污垢收集箱：17导向支架；18控制器；19计算机。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明装置主要包括激光发生器1、导光系统、工件装夹系统和控制系统。其中导光系统包括导光管2、全反镜4和冲击头5；工件装夹系统包括喷气嘴6、矩形夹具装置7、锂离子电池电极8、SEI层9、氩气10、能量吸收层11、矩形管件夹持器12、矩形反射座14、工作台15、污垢收集箱16和导向支架17；控制系统包括控制器18和计算机19。

由激光发生器1发出经优化的激光脉冲束3，激光脉冲束3的参数由电池电极的强度、SEI层的厚度和成分以及前后两片锂离子电池电极间的距离等因素共同决定。激光脉冲束3的模式可以是基模、多模等模式，由控制器18来控制。由激光发生器1产生的激光脉冲束3经导光管2、全反镜4、冲击头5和氩气10，辐照在矩形发射座14端部的能量吸收层11上。冲击头5内有聚焦镜，可以通过工作台15在竖直方向上的移动，调节激光光斑尺寸的大小。矩形夹具装置7用矩形管件夹持器12固定在导向支架17上，矩形管件夹持器12的位置受控制器18的控制，能沿导向支架17上下移动，来改变锂离子电池电极8与矩形反射座14间的相对位置，导向支架17固定在工作台15上，矩形反射座14固定在污垢收集箱16的底部。工作台15可以实现沿三个轴向的移动，实现锂离子电池电极8整个表面的完全清洗。

激光脉冲束3辐照在矩形反射座14端部的能量吸收层11上，能量吸收层11吸收了激光脉冲束3的能量后，迅速气化、电离，形成高压等离子体13，高压等离子体13瞬间膨胀，产生高压冲击波，形成向SEI层9内部传播的应力波，当应力波的强度超过SEI层9的断裂极限时，SEI层9会断裂，并在拉应力的作用下，从锂离子电池电极8表面剥落下来。

通过改变矩形夹具装置7与矩形反射座14间的相对位置，可实现锂离子电池电极8的纵向清洗；通过工作台15的横向移动，可以实现锂离子电池电极8的横向清洗。在工作台15和导向支架17的配合使用下，可以实现锂离子电池电极8的整个表面的完全清洗，根据不同干净程度，可对锂离子电池电极8进行多次清洗，以获得所需的洁净程度。

Claims (1)

1.一种基于激光冲击波技术清洗锂离子电池电极的装置，该装置包括激光发生器（1）、导光系统、工件装夹系统和控制系统，其特征是导光系统包括导光管（2）、全反镜（4）、冲击头（5），导光管（2）始端连着激光发生器（1）、导光管（2）依次把全反镜（4）和冲击头（5）连接起来，导光管（2）的终端对着工件装夹系统；工件装夹系统包括喷气嘴（6）、矩形夹具装置（7）、锂离子电池电极（8）、SEI层（9）、氩气（10）、能量吸收层（11）、矩形管件夹持器（12）、矩形反射座（14）、工作台（15）、污垢收集箱（16）、导向支架（17），喷气嘴（6）固定在冲击头（5）的一侧位于矩形夹具装置（7）上方，矩形反射座（14）插入夹持有锂离子电池电极（8）的矩形夹具装置（7）的内部，所述矩形反射座（14）的长宽均要小于矩形夹具装置（7）的长宽，矩形反射座（14）和装有锂离子电池电极（8）的矩形夹具装置（7）之间留有2~3mm间隙，矩形反射座（14）端部涂有黑漆作为能量吸收层（11），氩气（10）充满整个矩形夹具装置（7），矩形反射座（14）的下端固定在污垢收集箱（16）的底部，污垢收集箱（16）放置在工作台（15）上，矩形夹具装置（7）通过矩形管件夹持器（12）装夹在导向支架（17）上，导向支架（17）固定在工作台（15）上；控制系统包括控制器（18）和计算机（19），计算机（19）通过控制器（18）控制矩形管件夹持器（12）和工作台（15）的运动，计算机（19）通过控制器（18）控制激光发生器（1）发出的激光脉冲束（3）。

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