CN103594679B - 一种锂离子电池富锂阳极的制备装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池富锂阳极的制备装置，包括支撑座和依次设置在支撑座上的隔膜放卷装置、金属箔放卷装置、电镀槽、隔膜收卷装置、阳极片放卷装置、压辊、阳极片收卷装置和金属箔收卷装置，电镀槽通过管道连接有电解液供应系统，并且电镀槽的上方设置有锂源供应系统。相对于现有技术，本发明通过电镀和挤压转移，首先在电镀槽中将锂均匀地电镀到金属箔的表面，形成锂层，再将该锂层通过压辊的辊压作用转移到阳极片的表面，实现阳极片的均匀补锂。同时，对阳极片进行补锂后电池可以提高电池的首次效率。此外，本发明还公开了采用该装置制备富锂阳极片的工艺。

Description

一种锂离子电池富锂阳极的制备装置及工艺

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池富锂阳极的制备装置及工艺。

背景技术

1991年，日本索尼公司创造性的采用碳材料作为锂离子电池的阳极材料，为锂离子电池领域带来了革命性的变化。由于锂离子电池具有诸多优点，例如电压高、体积小、质量轻、比容量高、无记忆效应、无污染、自放电小和循环寿命长等，使得其在移动设备领域的应用得到了空前的发展，包括移动电话、摄像机、笔记本电脑以及其它便携式电器等。但随着便携式电子设备微型化、长待机化和多功能化，这些设备对锂离子电池能量密度以及充放电速度的要求越来越高，因此具有更高比容量、更高充放电倍率性能的锂离子电池电极材料以及工艺设计被运用于锂离子电池领域。

从电极材料来说，合金材料是较为优秀的一种，专利申请CN101260554B介绍了采用电镀的方法来制备合金负极，即将金属源电镀到铜基材上作为负极。该方法由于没有在电镀过程中在界面上施加一定的压力使界面和电流密度均一，无法保证电镀的均匀性，并且电镀后的基材经过干燥无法使锂转移到极片中易导致充放电过程中极片局部补锂不均导致析锂情况的发生，最终影响电池的循环和安全性能。

由于采用碳材料或合金材料的电池在首次充电时会在负极表面形成固体电解质膜，消耗一部分锂离子，并且石墨与合金材料自身还存在结构缺陷，为弥补这一缺陷还会消耗一部分锂离子，最终致锂离子电池的首次效率不能达到100%，石墨的首次效率为92%，硅基材料的首次效率只有65-85%，因此如果能将负极损耗的锂离子在首次充电前补充进来，则可以大幅度提高锂离子电池的首次效率和能量密度。

为此，中国专利申请CN102779975A将价格昂贵的包覆的金属锂粉通过加电压及震动使金属锂粉附于极片上，然后通过冷压极片达到补锂的目的。该方法主要是通过静电震动来实现，由于锂粉很轻，易漂浮，而且对环境要求较高，此外，锂粉易燃，会对操作人员造成很大的安全隐患。而且，这种金属锂粉的价格昂贵，补锂效率较低，补锂均匀性不高。

有鉴于此，确有必要提供一种能够实现安全、快速、均匀地向阳极片补锂的锂离子电池富锂阳极的制备装置及工艺。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够实现安全、快速、均匀地向阳极片补锂的锂离子电池富锂阳极的制备装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种锂离子电池富锂阳极的制备装置，包括支撑座和依次设置在所述支撑座上的隔膜放卷装置、金属箔放卷装置、电镀槽、隔膜收卷装置、阳极片放卷装置、压辊、阳极片收卷装置和金属箔收卷装置，所述电镀槽通过管道连接有电解液供应系统，并且所述电镀槽的上方设置有锂源供应系统。需要说明的是，隔膜放卷装置和金属箔放卷装置的位置关系并不需要严格按照上述描述，只需要二者在高度方向上错开就行，即二者可以采用同一个支架之类的装置，只需要二者在高度方向上不重叠即可，同样，阳极片收卷装置和金属箔收卷装置也是如此。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述锂源供应系统包括锂带圈、三联滚装置、支持圈和第一控制箱，所述锂带圈设置于所述支持圈内，所述支持圈设置于所述三联滚装置的下表面，所述三联滚装置与所述第一控制箱连接。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述第一控制箱上设置有升降旋钮和通电开关。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述电镀槽包括槽体、设置于所述槽体内的工作台、浮力阀、浮力球和直通阀，所述浮力阀设置于所述槽体的侧壁上，所述浮力球设置于所述槽体内，所述直通阀设置于所述管道上，，所述工作台的两侧分别设置有入料支架和出料支架。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述压辊连接有第二控制箱和力度感应电机，所述第二控制箱上设置有压力调节旋钮和速度调节旋钮。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述隔膜放卷装置包括设置于第一支架上的第一顶部滚轴和伺服电机，所述金属箔放卷装置包括设置于所述第一支架上的第一中部滚轴和伺服电机，所述第一支架还包括架体用于支撑所述第一顶部滚轴和所述第一中部滚轴的第一架体。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述隔膜收卷装置包括设置在第二支架上的第二顶部滚轴，所述第二支架还包括用于传送金属箔的第二中部滚轴和用于支撑所述第二顶部滚轴和所述第二中部滚轴的第二架体。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述阳极片放卷装置包括设置在第三支架上的第三顶部滚轴，所述第三支架还包括用于传送金属箔的第三中部滚轴和用于支撑所述第三顶部滚轴和所述第三中部滚轴的第三架体。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述压辊和所述第三支架之间还设置有双辊支架。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备装置的一种改进，所述阳极片收卷装置包括设置在第四架体上的第四顶部滚轴，所述金属箔收卷装置包括设置在所述第四支架上的第四中部滚轴，所述第四支架还包括用于支撑所述第四顶部滚轴和所述第四中部滚轴的第四架体。

相对于现有技术，本发明通过电镀和挤压转移，首先在电镀槽中将锂均匀地电镀到金属箔的表面，形成锂层，再将该锂层通过压辊的辊压作用转移到阳极片的表面，实现阳极片的均匀补锂，以防止由于补锂不均匀而导致的析锂情况的发生，保证电池的循环和安全性能。同时，对阳极片进行补锂后电池可以提高电池的首次效率。

而且，本发明中设置的各放卷装置和收卷装置使得采用本发明可以进行工业化的阳极补锂，从而大大提高了补锂效率。此外，整个装置结构简单，成本低，由于锂源供应系统不需要使用锂粉，从而大大提高了操作安全性。

本发明的另一个目的在于：提供一种锂离子电池富锂阳极的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，在干燥环境中，隔膜和金属箔分别从隔膜放卷装置和金属箔放卷装置传送至电镀槽中，并且隔膜位于金属箔的上方；

第二步，通过电解液供应系统向电镀槽供应电解液，静置，然后锂源供应系统下降，对隔膜和金属箔施加压力，接着将电镀槽与电源接通，使电源正极与锂源接通，电源负极与金属箔接通，开始电镀，在金属箔表面镀上锂层；

第三步，将镀有锂层的金属箔传送至压辊处，使该金属箔与从阳极片放卷装置传送过来的阳极片在压辊的辊压作用下互相挤压，实现阳极片表面的补锂；

第四步，通过阳极片收卷装置和金属箔收卷装置分别对阳极片和金属箔进行收卷。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备工艺的一种改进，所述电镀槽内的湿度小于或等于2%。电镀槽的湿度太大，会影响包含采用本发明的方法制作的电池的首次效率的提高，而且还会出现析锂现象。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备工艺的一种改进，所述隔膜的厚度小于或等于20μm，透气度小于或等于100cc/200s。隔膜太厚或者透气度太大会影响电镀的界面，导致锂离子传递阻抗增大。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备工艺的一种改进，所述电解液中含有锂盐，所述电解液的电导率大于或等于3mS/cm，电解液的电导率太小，会影响包含采用本发明的方法制作的电池的首次效率的提高，而且还会出现析锂现象。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备工艺的一种改进，第二步所述的静置的时间大于或等于5min，所述压力的大小为0.05-0.6MPa，所述电源的电流大小为0.01C-50C。静置时间太短，会影响浸润效果，从而影响电池的首次效率的提高。电源的电流太大以及压力太大均会使得锂离子过量而导致析锂，压力太小则界面较差，不利于电镀和转移。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备工艺的一种改进，第三步所述辊压的压力大小为0.2-1T，所述阳极片的水含量小于或等于300ppm。辊压压力太大会使得锂离子过量而导致析锂，压力太小则界面较差，不利于电镀和转移。阳极片的水含量太高会影响电池的首次效率的提高，并会出现析锂现象。

作为本发明锂离子电池富锂阳极的制备工艺的一种改进，所述金属箔为铜箔或不锈钢箔。

相对于现有技术，本发明通过将锂电镀到金属箔上再通过辊压转移到阳极片上，并在其电镀过程中在电镀界面上施加一定的压力，从而使得界面良好、锂离子传递过程的阻抗减小，进而使锂均匀电镀到金属箔上，使其最终可以通过辊压均匀的转移到阳极片上，大大的提高了电池的首次效率。同时，整个方法可以实现流水线生产。大大提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明中装置的轴侧图。

图2为本发明中装置的主视图。

图3为本发明中装置的俯视图。

其中，1-支撑座，2-电镀槽，21-槽体，22-工作台，23-浮力阀，24-浮力球，25-直通阀，26-入料支架，27-出料支架，3-压辊，4-管道，5-电解液供应系统，6-锂源供应系统，61-锂带圈，62-三联滚装置，63-支持圈，64-第一控制箱，641-升降旋钮，642-通电开关，7-第二控制箱，71-压力调节旋钮，72-速度调节旋钮，8-第一支架，81-第一顶部滚轴，82-第一中部滚轴，83-第一架体，9-伺服电机，10-第二支架，101-第二顶部滚轴，102-第二中部滚轴，103-第二架体，11-金属箔，12-第三支架，121-第三顶部滚轴，122-第三中部滚轴，123-第三架体，13-双辊支架，14-第四支架，141-第四顶部滚轴，142-第四中部滚轴，143-第四架体，15-隔膜，16-阳极片，17-力度感应电机。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细说明，但是本发明的具体实施方式并不限于此。

如图1至3所示，本发明提供的一种锂离子电池富锂阳极的制备装置，包括支撑座1和依次设置在支撑座1上的隔膜放卷装置、金属箔放卷装置、电镀槽2、隔膜收卷装置、阳极片放卷装置、压辊3、阳极片收卷装置和金属箔收卷装置，电镀槽2通过管道4连接有电解液供应系统5，并且电镀槽2的上方设置有锂源供应系统6。

其中，锂源供应系统6包括锂带圈61、三联滚装置62、支持圈63和第一控制箱64，锂带圈61设置于支持圈63内，支持圈63设置于三联滚装置62的下表面，三联滚装置62与第一控制箱64连接。第一控制箱64上设置有升降旋钮641和通电开关642。

其中，电镀槽2包括槽体21、设置于槽体21内的工作台22、浮力阀23、浮力球24和直通阀25，浮力阀23设置于槽体21的侧壁上，浮力球24设置于槽体21内，直通阀25设置于管道4上，工作台22的两侧分别设置有入料支架26和出料支架27。

压辊3连接有第二控制箱7和力度感应电机17，第二控制箱7上设置有压力调节旋钮71和速度调节旋钮72。通过力度感应电机17可以调节辊压的压力大小。

隔膜放卷装置包括设置于第一支架8上的第一顶部滚轴81和伺服电机9，金属箔放卷装置包括设置于第一支架8上的第一中部滚轴82和伺服电机9，第一支架8还包括架体用于支撑第一顶部滚轴81和第一中部滚轴82的第一架体83。

隔膜收卷装置包括设置在第二支架10上的第二顶部滚轴101，第二支架10还包括用于传送金属箔11的第二中部滚轴102和用于支撑第二顶部滚轴101和第二中部滚轴102的第二架体103。

阳极片放卷装置包括设置在第三支架12上的第三顶部滚轴121，第三支架12还包括用于传送金属箔11的第三中部滚轴122和用于支撑第三顶部滚轴121和第三中部滚轴122的第三架体123。

压辊3和第三支架12之间还设置有双辊支架13。

阳极片收卷装置包括设置在第四架体14上的第四顶部滚轴141，金属箔收卷装置包括设置在第四支架14上的第四中部滚轴142，第四支架14还包括用于支撑第四顶部滚轴141和第四中部滚轴142的第四架体143。

电解液供应系统5设置为注液罐。

使用时，将隔膜15安装在第一支架8上的第一顶部滚轴81上，将金属箔11安装在第一支架8上的第一中部滚轴82上，将阳极片16安装在第三支架12上的第三顶部滚轴121上。

按下第一控制箱64中的升降旋钮641，使三联滚装置62下降，直至锂带圈61与工作台22上的隔膜15接触，并对锂带圈61、隔膜15和金属箔11施加一定的力。

然后向注液罐中注满电解液，电解液流经浮力阀23进入槽体21，当槽体21中电解液液面达到要求高度后，浮力球24上浮从而关闭浮力阀23。

旋转第一控制箱64中的通电开关642，打开直流电源，工作台22上的锂带圈61和金属箔接通电流，并通过电解液构成电镀通路。将伺服电机9、三联滚装置62、压辊3以及力度感应电机17打开，开始电镀。

开始电镀后，隔膜15和金属箔11经过入料支架26进入工作台22，在工作台22上缓慢向前移动，此时锂带圈61在支持圈63和三联滚装置62的驱动下与隔膜15和金属箔11同步运转，实现连续电镀。隔膜15经过出料支架27，最终卷绕在第二支架10的第二顶部滚轴101上；电镀后的金属箔11经过出料支架27和第二支架10的第二中部滚轴102进入转移工步。

电镀过程中，槽体21中的电解液因损耗使得液面下降时，浮力球24也将随之下降，从而打开浮力阀23进行注液，保证工作时槽体21中的电解液量满足要求。

阳极片16和经电镀后的金属箔11一起经过双滚支架13进入压辊3开始并完成锂转移。压辊3的压力及速度可通过第二控制箱7中的压力调节旋钮71和速度调节旋钮72实现。

完成转移工步后的阳极片16卷绕在第四架体14的第四顶部滚轴141上，金属箔11则卷绕在第四架体14的第四中部滚轴142上。

完成电镀-转移后，关闭伺服电机9、三联滚装置62、压辊3以及力度感应电机17，并第一控制箱64中的升降旋钮641使三联滚装置62上升至合适位置。

打开直通阀25，将槽体21中的电解液排出。

将隔膜卷15从第四架体14上取下，将金属箔11和阳极片16从第四架体14上取下，完成整个电镀-转移过程。

本发明还公开了一种锂离子电池富锂阳极的制备工艺。

实施例1

本实施例提供的锂离子电池富锂阳极的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，在湿度为0.5%的干燥房中，厚度为10um和透气度为60cc/200s的隔膜15和铜箔分别从隔膜放卷装置和金属箔放卷装置传送至工作台22上，并且隔膜15位于铜箔的上方；

第二步，向注液罐中注满电导率为3mS/cm含有锂盐LiPF₆的电解液，然后将电解液注入槽体11中，静置5min，然后锂源供应系统下降，对隔膜15和铜箔施加0.05MPa的压力，将锂带圈61、隔膜15和铜箔压紧，接着将电镀槽2与电源接通，电流为0.1C，使电源正极与锂带圈61接通，电源负极与铜箔接通，开始电镀，在铜箔表面镀上锂层；

第三步，将镀有锂层的铜箔传送至压辊3处，使该铜箔与从阳极片放卷装置传送过来的水含量为100PPm、初始容量为1500mAh/g的阳极片16在压辊3的辊压作用下以0.2T的压力互相挤压，实现阳极片16的表面的补锂；

第四步，通过阳极片收卷装置和金属箔收卷装置分别对阳极片16和铜箔进行收卷，形成富锂极片。

实施例2

与实施例1不同的是：干燥房的湿度为2%，隔膜15的厚度为20um、透气度为100cc/200s、锂盐的电导率为4mS/cm，静置时间为20min，第二步的压力为0.6MPa，电源的电流大小为50C，阳极片16的水含量为300ppm、初始容量为1860mAh/g，第三步的压力为1T。

其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例3

与实施例1不同的是：干燥房的湿度为1%，隔膜15的厚度为15um、透气度为80cc/200s、锂盐的电导率为3.5mS/cm，静置时间为10min，第二步的压力为0.3MPa，电源的电流大小为30C，阳极片16的水含量为200ppm、初始容量为2260mAh/g，第三步的压力为0.6T。

其余同实施例1，这里不再赘述。

将按照实施例1至3的工艺制备的阳极片分别与阴极片、隔膜组装成电芯，然后置入包装袋中，注入电解液，制成锂离子电池，分别编号为S1-S3，作为对比，选初始容量为1800mAh/g的未进行补锂操作的阳极片，按照同样的方法制作电池，编号为D1。

容量测试：将实施例1-3以及对比例1的锂离子电池在35℃环境中静置3min；然后以0.5C的充电电流恒流充电至4.3V，再恒压充电至0.05C，得到充电容量AGC0；静置3min；再以0.5C的放电电流恒流放电至3.0V得到首次放电容量D0；静置3min之后完成容量测试。计算电芯的首次库伦效率的公式为：D0/（ICC0+AGC0），所得结果见表1。

析锂状况：对编号为S1-S3和D1的电池进行充放电循环，循环100次后，拆解电池，观察阳极片表面的析锂情况，结果发现四组电池的阳极片的表面均未析锂。

表1：编号为S1-S3和D1的电池的容量测试结果。

由表1可见，包含采用本发明的方法制备的阳极片的锂离子电池首次效率有较大提高，而且在循环过程中不会出现析锂的现象。

本发明提出锂离子电池补锂工艺，已通过实施例进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (17)

1.一种锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：包括支撑座和依次设置在所述支撑座上的隔膜放卷装置、金属箔放卷装置、电镀槽、隔膜收卷装置、阳极片放卷装置、压辊、阳极片收卷装置和金属箔收卷装置，所述电镀槽通过管道连接有电解液供应系统，并且所述电镀槽的上方设置有锂源供应系统，所述锂源供应系统在电镀过程中下降，并对隔膜和金属箔施加压力。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述锂源供应系统包括锂带圈、三联滚装置、支持圈和第一控制箱，所述锂带圈设置于所述支持圈内，所述支持圈设置于所述三联滚装置的下表面，所述三联滚装置与所述第一控制箱连接。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述第一控制箱上设置有升降旋钮和通电开关。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述电镀槽包括槽体、设置于所述槽体内的工作台、浮力阀、浮力球和直通阀，所述浮力阀设置于所述槽体的侧壁上，所述浮力球设置于所述槽体内，所述直通阀设置于所述管道上，所述工作台的两侧分别设置有入料支架和出料支架。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述压辊连接有第二控制箱和力度感应电机，所述第二控制箱上设置有压力调节旋钮和速度调节旋钮。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述隔膜放卷装置包括设置于第一支架上的第一顶部滚轴和伺服电机，所述金属箔放卷装置包括设置于所述第一支架上的第一中部滚轴和伺服电机，所述第一支架还包括架体用于支撑所述第一顶部滚轴和所述第一中部滚轴的第一架体。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述隔膜收卷装置包括设置在第二支架上的第二顶部滚轴，所述第二支架还包括用于传送金属箔的第二中部滚轴和用于支撑所述第二顶部滚轴和所述第二中部滚轴的第二架体。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述阳极片放卷装置包括设置在第三支架上的第三顶部滚轴，所述第三支架还包括用于传送金属箔的第三中部滚轴和用于支撑所述第三顶部滚轴和所述第三中部滚轴的第三架体。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述压辊和所述第三支架之间还设置有双辊支架。

10.根据权利要求1所述的锂离子电池富锂阳极的制备装置，其特征在于：所述阳极片收卷装置包括设置在第四支架上的第四顶部滚轴，所述金属箔收卷装置包括设置在所述第四支架上的第四中部滚轴，所述第四支架还包括用于支撑所述第四顶部滚轴和所述第四中部滚轴的第四架体。

11.一种锂离子电池富锂阳极的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在干燥环境中，隔膜和金属箔分别从隔膜放卷装置和金属箔放卷装置传送至电镀槽中，并且隔膜位于金属箔的上方；

第二步，通过电解液供应系统向电镀槽供应电解液，静置，然后锂源供应系统下降，对隔膜和金属箔施加压力，接着将电镀槽与电源接通，使电源正极与锂源接通，电源负极与金属箔接通，开始电镀，在金属箔表面镀上锂层；

第三步，将镀有锂层的金属箔传送至压辊处，使该金属箔与从阳极片放卷装置传送过来的阳极片在压辊的辊压作用下互相挤压，实现阳极片表面的补锂；

第四步，通过阳极片收卷装置和金属箔收卷装置分别对阳极片和金属箔进行收卷。

12.根据权利要求11所述的锂离子电池富锂阳极的制备工艺，其特征在于：所述电镀槽内的湿度小于或等于2％。

13.根据权利要求11所述的锂离子电池富锂阳极的制备工艺，其特征在于：所述隔膜的厚度小于或等于20μm，透气度小于或等于100cc/200s。

14.根据权利要求11所述的锂离子电池富锂阳极的制备工艺，其特征在于：所述电解液中含有锂盐，所述电解液的电导率大于或等于3mS/cm。

15.根据权利要求11所述的锂离子电池富锂阳极的制备工艺，其特征在于：第二步所述的静置的时间大于或等于5min，所述压力的大小为0.05-0.6MPa，所述电源的电流大小为0.01C-50C。

16.根据权利要求11所述的锂离子电池富锂阳极的制备工艺，其特征在于：第三步所述辊压的压力大小为0.2-1T，所述阳极片的水含量小于或等于300ppm。

17.根据权利要求11所述的锂离子电池富锂阳极的制备工艺，其特征在于：所述金属箔为铜箔或不锈钢箔。