CN103208612A - 一种向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂离子电池生产方法技术领域，尤其涉及一种向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，包括以下步骤：将冷压后的负极片放置在放卷机构上；启动负极片牵引系统，打开第一补锂系统，同时加入电场，使锂粉吸附于负极片的一个表面，接着经过第一辊压系统；负极片经过张力调节翻转机构后，打开第二补锂系统，同时加入电场，使锂粉吸附于负极片的另一个表面，接着经过第二辊压系统，进行收卷。相对于现有技术，本发明使得锂粉能够均匀、定量、精确的分散在负极片的上下两个表面。而且第一辊压系统和第二辊压系统还能够保证锂粉不粘辊。此外，整个过程中都不会挤压锂粉，从而有效地避免对锂粉这一类的软性粉末造成的破坏。

Description

一种向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法

技术领域

本发明属于锂离子电池生产方法技术领域，尤其涉及一种向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法。

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，已经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和长待机的不断发展，以及电动自行车、电动汽车等大功率、高能量设备的启用，人们对作为储能电源的锂离子电池的能量密度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双面连续补充锂粉的方法，该方法利用了滤网振动洒粉结合静电效应的原理，能够将金属锂准确、定量且均匀地分散在负极片的表面，并经过辊压操作将补上的锂粉压实到极片表面，从而对负极片起到补锂作用；并且采用该方法能够对负极片的双面进行连续补锂，整个补锂过程工序简单、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CN 102348511 A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

本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种制作成本较低且对环境要求较低的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，采用该方法能够将金属锂准确、定量且均匀地分散在负极片的表面，并经过辊压操作将补上的锂粉压实到负极片表面，从而对负极片起到补锂作用；并且该装置能够对负极片的双面进行连续补锂，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、制作成本高的不足和不能对负极片的双面进行补锂的不足。

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双面连续补充锂粉的方法，包括以下步骤：第一步，将冷压后的负极片放置在放卷机构上，并将锂粉放置于第一补锂系统和第二补锂系统中。

第二步，启动负极片牵引系统，打开第一补锂系统，同时加入电场，使锂粉在振动及电场的作用下吸附于负极片的一个表面，接着使一个表面吸附有锂粉的负极片经过第一辊压系统。

第三步，一个表面吸附有锂粉的负极片经过张力调节翻转机构后，打开第二补锂系统，同时加入电场，使锂粉在振动及电场的作用下吸附于负极片的另一个表面，接着使两个表面吸附有锂粉的负极片经过第二辊压系统，进行收卷。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，在负极片经过第一辊压系统之前，先在负极片的一个表面引入保护膜。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述第一补锂系统和所述第二补锂系统均设置有挡板系统，当负极片的未涂膜区域经过所述第一补锂系统和所述第二补锂系统时，启动挡板系统。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述第一补锂系统和所述第二补锂系统均包括用于放置锂粉及洒粉的喂料系统、丝网电极和转印电极，所述丝网电极和所述转印电极分别位于所述负极片的上方和下方，所述喂料系统包括上料斗、下料斗和粉末回收料斗，所述下料斗设置于所述上料斗的下方，并且所述上料斗和所述下料斗之间设置有漏斗状下料通道，所述粉末回收料斗设置于所述下料斗的下方，所述上料斗底部设置有上料斗滤网，所述上料斗上方设置有上料斗传感器，所述上料斗下方还设置有上料斗振动器，所述下料斗的上方设置有下料斗振动器和下料斗传感器，所述下料斗底部设置有下料斗滤网。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述上料斗振动器和所述下料斗振动器的振动频率均为20Hz-200Hz。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述上料斗滤网的孔径和所述下料斗滤网的孔径均为50~150um。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述电场的电压为500V-10kV。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述电场的电压为2-8KV。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述电场的电流为0.5-3mA。

作为本发明向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法的一种改进，所述保护膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯或尼龙。

相对于现有技术，本发明通过使锂粉在振动及电场的作用下吸附于负极片表面，能够使锂粉均匀、定量、精确的分散在负极片的上下两个表面。具体的，锂粉从喂料系统中震落，完成初次均匀分布，在下落过程中电场提供的静电效应使锂粉荷相同电荷，锂粉之间静电相互排斥从而完成二次均匀分布，再经过第一辊压系统和第二辊压系统的辊压，使得锂粉压实到负极片的表面，以免脱落，从而实现对负极片的双面进行连续补锂。此外，电场提供的静电效应，还可以控制锂粉的定向吸附，避免粉尘扬起影响操作环境。整个补锂过程中都不会挤压锂粉，从而有效地避免对锂粉这一类的软性粉末造成的破坏。

采用本发明的方法完成补锂及辊压操作后，负极片、正极片和隔膜再经过卷绕或叠片等工序制得电芯，并向电芯内灌注电解液，可以使金属锂粉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，提升电池的首次效率、电池容量和循环性能，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。

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为本发明所采用的装置的结构示意图。

图2为本发明所采用的装置中喂料系统的结构示意图。

其中：1-放卷机构，2-第一补锂系统，3-第一辊压系统，4-张力调节翻转机构，5-第二补锂系统，6-第二辊压系统，7-收卷机构，8-保护膜系统，9-喂料系统，10-丝网电极，11-转印电极，12-负极片，13-挡板系统，14-伸缩挡板，15-吸尘装置，16-牵引辊，90-上料斗，91-下料斗，92-粉末回收料斗，93-漏斗状下料通道，94-上料斗滤网，95-上料斗传感器，96-上料斗振动器，97-下料斗振动器，98-下料斗传感器，99-下料斗滤网。

具体实施方式

如图1所示，本发明所采用的装置包括依次设置的放卷机构1、第一补锂系统2、用于防止锂粉辊压后的负极片12层与层之间粘接的保护膜系统8、第一辊压系统3、用于调节张力并将负极片12的补锂面进行翻转的张力调节翻转机构4、第二补锂系统5、第二辊压系统6和收卷机构7，第一补锂系统2和第二补锂系统5均包括用于放置锂粉及洒粉的喂料系统9、丝网电极10和转印电极11，丝网电极10和转印电极11分别位于负极片12的上方和下方，并且丝网电极10和转印电极11分别与高压直流电源电连接，该装置还包括用于牵引负极片12的牵引系统。其中，第一辊压系统3和第二辊压系统6是用于辊压补锂后的负极片12，实现锂粉不沾辊。

其中，第一辊压系统3和第二辊压系统6为表面经过特殊处理的压辊，压辊内圈为高硬度合金钢，外层采用自润滑性、低摩擦力、高硬度和耐磨材料。

采用以上装置向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，包括以下步骤：

第一步，将冷压后的负极片放置在放卷机构1上，并将锂粉放置于第一补锂系统2和第二补锂系统5中的喂料系统9中。其中，如图2所示，喂料系统9包括上料斗90、下料斗91和粉末回收料斗92，下料斗91设置于上料斗90的下方，并且上料斗90和下料斗91之间设置有漏斗状下料通道93，用于改善下料的均匀性，粉末回收料斗92设置于下料斗91的下方，上料斗90底部设置有上料斗滤网94，上料斗90上方设置有上料斗传感器95，上料斗90下方还设置有上料斗振动器96，下料斗91的上方设置有下料斗振动器97和下料斗传感器98，下料斗91底部设置有下料斗滤网99。

其中，上料斗传感器95和下料斗传感器98均为精密激光传感器，用于监控料位的变化。上料斗振动器96和下料斗传感器98均为气动振动器，气动振动器通过改变气压和气流量可调节振动频率及振幅，气动振动器的振动频率为20Hz-200Hz。

上料斗滤网94通过压框固定于上料斗90内，下料斗滤网99通过压框固定于下料斗91内，可实现灵活安装及拆卸。

上料斗滤网94和下料斗滤网99上分别设置有孔径相等的多个孔。

上料斗90的底部和下料斗91的底部均安装有缓冲机构，采用四角对称缓冲定位安装于上料斗90和下料斗91的底部。

上料斗滤网94的孔径和下料斗滤网99的孔径均为50~150um，优选为50-100um，从而既可保证锂粉颗粒顺利通过滤网，又能避免锂粉掉落速度过快导致的微量添加不可控。丝网电极10的孔径为50~150um。

第二步，启动负极片牵引系统，打开第一补锂系统2中的喂料系统9，同时启动高压直流电源，使得在分别位于负极片12的上方和下方的丝网电极10和转印电极11之间形成电场，电场的电压为500V-10kV，优选为2-8kV，电场的电流为0.5-3mA，低电流可以保证操作的安全性。电场的加入使锂粉在振动及电场的综合作用下吸附于负极片12的一个表面，接着通过保护膜系统8先在负极片12的上述表面引入保护膜，保护膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯或尼龙，然后使一个表面吸附有锂粉的负极片12经过第一辊压系统3。

第三步，使一个表面吸附有锂粉的负极片12经过张力调节翻转机构4后，打开第二补锂系统5的喂料系统9，同时启动高压直流电源，使得在分别位于负极片12的上方和下方的丝网电极10和转印电极11之间形成电场，电场的电压为500V-10kV，优选为2-8kV，电场的电流为0.5-3mA，低电流可以保证操作的安全性。电场的加入使锂粉在振动及电场的综合作用下吸附于负极片12的另一个表面，接着使两个表面均吸附有锂粉的负极片12经过第二辊压系统6，进行收卷。

在整个的补锂过程中，无接触性挤压动作，而是采用滤网振动洒粉结合高压静电效应，从而实现了锂粉均匀、定量、精确的添加于负极片12的上下两个表面，这对于锂粉等软性干粉是十分必要的。

由于负极片12包括涂膜区和非涂膜区（一般为光洁的铜箔），补锂时，只需向涂膜区进行补锂，无需向非涂膜区进行补锂。因此，为了不浪费锂粉，第一补锂系统2和第二补锂系统5的喂料系统9均设置有挡板系统13，当负极片12的未涂膜区域经过第一补锂系统2和第二补锂系统5的喂料系统9时，启动挡板系统13。该挡板系统13包括两组伸缩挡板14、传感器和吸尘装置15。通过伸缩挡板14的伸出、退回及两组伸缩挡板14的交替工作，通过遮住负极片铜箔区，实现间歇补锂操作。具体的，当挡板系统13中的传感器感应到铜箔区域（即未涂膜区域）时，一组伸缩挡板14即伸出至铜箔区域正上方并完全盖住铜箔区域，伸缩挡板14随着负极片12同步进入非涂膜区，第一补锂系统2的喂料系统9的上料斗振动器96和下料斗振动器97同时停止，少量掉落的锂粉位于伸缩挡板14上方，待伸缩挡板14区域完全通过非涂膜区后，上料斗振动器96和下料斗振动器97提前开启补锂继续，伸缩挡板14缩回，回到吸尘装置15的下方，吸尘装置15开始工作，回收掉落于伸缩挡板14上方的锂粉。另一组伸缩挡板14交替进行遮挡，从而实现间歇补锂功能。

为了使整个补充锂粉的过程更加安全和易于实现，本发明所采用的装置中，转印电极11的上表面设置有有机玻璃板，下表面设置有聚甲醛树脂板。起到绝缘的作用转印电极11本身的材质选择为0.5mm的薄铜片，要求表面氧化处理，光洁平整。而丝网电极10采用金属框按住，螺丝紧固固定，易于安装拆卸。丝网电极10和转印电极11平行设置，且二者之间的距离为5-15mm可调。

该装置还包括可编程逻辑控制器，放卷机构1、喂料系统9、丝网电极10、转印电极11、挡板系统13、第一辊压系统3和第二辊压系统6、保护膜系统8和收卷机构7均与可编程逻辑控制器连接，以实现均匀、定量、精确补锂的自动化控制，减少人为操作的影响。

牵引系统包括数个间隔设置的牵引辊16。

本发明其中一个关键点在于控制喂料系统补锂量的一致性，具体的，初始锂粉置于上料斗90中，经过上料斗振动器96振动，依次通过上料斗滤网94及其底部并排分布的多个漏斗状下料通道93，补充至下料斗91中，下料斗振动器97开始工作时，锂粉经过下料斗滤网99均匀、定量地添加到经过喂料系统9区域的负极片12表面。逸出的多余粉末掉落至底部的粉末回收料斗92中。当下料斗91中的锂粉料位变化量超过指定值时，下料斗传感器98给出信号，PLC控制系统即给出上料斗振动器96工作的指令开始振动加料，直至料位恢复设定值，从而达到下料斗91料位保持恒定的目的，进而控制补锂量的一致性。同样当上料斗90料位变化超过设定值时，上料斗传感器95给出信号，PLC控制系统即给出加料指令。如此实现振动喂料及维持锂粉量恒定的功能，进而通过控制振动器频率及振幅、移动速度、滤网网孔尺寸，可以完成锂粉的定量添加。其中，安装于上料斗90的上料斗振动器96和安装于下料斗91的下料斗振动器97的振动频率为20Hz-200Hz，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。

本发明另一个关键点在于控制补锂的均匀性。其中，上料斗90中的锂粉经过均匀分布的多个漏斗状下料通道93较为均匀的添加于下料斗91中，下料斗91中的锂粉通过振动作用，经过位于下料斗91底部开均匀孔的下料斗滤网99洒落，形成锂粉初次均匀分布，下落的锂粉在高压静电场中荷相同电荷，相互排斥形成再次均匀分布，进而均匀添加于负极片12的表面。

向负极片12的上表面和下表面补充的锂粉可以为使用该负极片12的电池提供锂源，从而提升电池的首次效率、电池容量和电池的循环性能，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，且满足双面连续/间歇补锂，尤其当采用可编程逻辑控制器，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。

需要注意的是，补充锂粉的操作过程应置于干燥密闭的空间内进行，操作者应穿戴封闭式防护头盔，专业防护服、手套等，补锂操作应配备石墨干粉灭火器的专业灭火设备，废弃物统一处理，并做好全面的安全培训工作，确保人身、生命，财产安全。

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10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，本发明中振动器的振动方式，安装位置并无任何限制，目的是可实现振动频率和振幅的可调，同时保证均匀振动落料。

例如，本发明中上料斗90和下料斗91的形状，传感器的工作原理均没有任何限制，其目的是上料斗90给下料斗91均匀喂料，下料斗91料位保持稳定，实现补锂的定量性。

例如，本发明中丝网电极10和转印电极11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11上层采用的有机玻璃板，下层采用的聚甲醛树脂板，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双面连续补充锂粉的方法，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放卷机构上，并将锂粉放置于第一补锂系统和第二补锂系统中；

第二步，启动负极片牵引系统，打开第一补锂系统，同时加入电场，使锂粉在振动及电场的作用下吸附于负极片的一个表面，接着使一个表面吸附有锂粉的负极片经过第一辊压系统；

第三步，一个表面吸附有锂粉的负极片经过张力调节翻转机构后，打开第二补锂系统，同时加入电场，使锂粉在振动及电场的作用下吸附于负极片的另一个表面，接着使两个表面吸附有锂粉的负极片经过第二辊压系统，进行收卷。

2.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：在负极片经过第一辊压系统之前，先在负极片的一个表面引入保护膜。

3.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述第一补锂系统和所述第二补锂系统均设置有挡板系统，当负极片的未涂膜区域经过所述第一补锂系统和所述第二补锂系统时，启动挡板系统。

4.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述第一补锂系统和所述第二补锂系统均包括用于放置锂粉及洒粉的喂料系统、丝网电极和转印电极，所述丝网电极和所述转印电极分别位于所述负极片的上方和下方，所述喂料系统包括上料斗、下料斗和粉末回收料斗，所述下料斗设置于所述上料斗的下方，并且所述上料斗和所述下料斗之间设置有漏斗状下料通道，所述粉末回收料斗设置于所述下料斗的下方，所述上料斗底部设置有上料斗滤网，所述上料斗上方设置有上料斗传感器，所述上料斗下方还设置有上料斗振动器，所述下料斗的上方设置有下料斗振动器和下料斗传感器，所述下料斗底部设置有下料斗滤网。

5.根据权利要求4所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述上料斗振动器和所述下料斗振动器的振动频率均为20Hz - 200Hz。

6.根据权利要求4所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述上料斗滤网的孔径和所述下料斗滤网的孔径均为50~150um。

7.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述电场的电压为500V-10kV。

8.根据权利要求7所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述电场的电压为2-8KV。

9.根据权利要求1所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述电场的电流为0.5-3mA。

10.根据权利要求2所述的向锂离子电池负极片双面连续补充锂粉的方法，其特征在于：所述保护膜的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯或尼龙。

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