CN105742719A - 喷涂设备及采用该设备制备聚合物锂离子电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备聚合物锂离子电池制备方法，包括步骤S11，提供待处理的正极极片、负极极片；步骤S12，提供凝胶电解质前驱液液；步骤S13，提供可旋转的载物机构，载物机构划分为多个喷涂区，放置上述的正极极片或负极极片在喷涂区；旋转载物机构，将凝胶电解质前驱液喷涂于载物机构上正极极片或负极极片上，原位生成凝胶电解质膜，获得正极复合体或负极复合体；步骤S14，将正极复合体与负极极片，或正极复合体与负极复合体，或正极极片与负极复合体交替叠片制备成裸电芯；及步骤S15，将上述裸电芯经过处理后得到凝胶聚合物锂离子电池。

Description

喷涂设备及采用该设备制备聚合物锂离子电池的制备方法
【技术领域】
本发明涉及电池领域，尤其涉及喷涂设备及采用该设备制备聚合物锂离子电池的制备方法。
【背景技术】
锂离子电池已广泛应用于移动电话、笔记本电脑等电子产品中，并成为未来电动汽车用动力电池的首选电源之一。传统锂离子电池使用液态电解质，在使用过程中可能出现漏液、易燃和爆炸等问题，存在安全隐患。凝胶聚合物电解质具有液态电解质电池体系中的隔膜与离子导电的载体双重功能。由于体系中不存在或存在少量游离态的溶剂，凝胶聚合物电解质可以从根本上改善锂离子电池的安全性能。然而现有成膜方法工艺复杂，不仅增加了制作成本与大规模生产的难度，而且生产效率低无法实现凝胶电解质聚合物锂电池的规模量产。
【发明内容】
为克服现有成膜方式生产效率低的技术问题，本发明提供喷涂设备及采用该设备制备聚合物锂离子电池的制备方法。
本发明解决技术问题的技术方案是提供喷涂设备及采用该设备制备聚合物锂离子电池的制备方法，包括步骤S11，提供待处理的正极极片、负极极片；步骤S12，提供凝胶电解质前驱液液；步骤S13，提供可旋转的载物机构，载物机构划分为多个喷涂区，放置上述的正极极片或负极极片在喷涂区；旋转载物机构，将凝胶电解质前驱液喷涂于载物机构上正极极片或负极极片上，原位生成凝胶电解质膜，获得正极复合体或负极复合体；步骤S14，将正极复合体与负极极片，或正极复合体与负极复合体，或正极极片与负极复合体交替叠片制备成裸电芯；及步骤S15，将上述裸电芯经过处理后得到凝胶聚合物锂离子电池。
优选地，所述在步骤S12中，凝胶电解质前驱液为聚甲基丙烯酸甲酯溶于溶剂N,N-二甲基甲酰胺的溶液，与六氟磷酸锂溶液的混合溶液；其中六氟磷酸锂溶液的溶剂是体积比为1：1：1的碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯。
优选地，所述在步骤S12中，凝胶电解质前驱液为聚氧化乙烯溶于有机溶剂N-甲基甲胺的溶液，与商业电解液的混合溶液。
优选地，所述在步骤S13中，载物机构等角度均匀划分为多个喷涂区，每一个喷涂区放置一个正极极片或负极极片。
优选地，所述在步骤S13中，提供喷涂机构，所述喷涂机构移动的设置于载物机构上方，移动喷涂机构对喷涂区的极片进行喷涂，该喷涂机构的移动速度为1-3mm/s，喷涂流量为2-4ml/min，每次喷涂量为0.05-1ml/cm2。
优选地，所述在步骤S13中，所述载物机构在一个正极极片或负极极片完成喷涂后，旋转，进行相邻喷涂区喷涂，相邻喷涂间隔时间为2-12min。
优选地，所述载物机构旋转的角速度为10°-60°/min。
优选地，所述在步骤S13中，载物机构内部设置加热装置，加热装置对载物机构加热，加热温度为20-300℃。
优选地，所述喷涂设备包括载物机构、喷涂机构及加热装置，载物机构划分为多个喷涂区，用于放置待喷涂的极片，所述喷涂机构移动设置在载物机构上方，用于对载物机构上的待喷涂极片喷涂凝胶电解质前驱液，加热装置在载物机构内部用于对载物机构进行加热，使喷涂了凝胶电解质前驱液的极片上原位形成凝胶电解质膜。
优选地，所述一种喷涂设备进一步包括机械泵、气氛口、排气口、气体检测单元及压力传感器；所述机械泵及气氛口与喷涂设备内部相连，气体检测单元及压力传感器设置于喷涂设备内部，排气口与外部连接，采用机械泵进行抽真空，从气氛口充入保护气体，通过气体检测单元监测气氛，调节压力传感器，控制保护气氛的通入量，通过排气口排除内部废气。
与现有技术相比，本发明喷涂设备及采用该设备制备聚合物锂离子电池的制备方法具有以下优点：载物机构划分多个喷涂区，旋转载物机构，有利于实现同时对多个正极极片或负极极片喷涂，在旋转一周360°前无需换下新的待镀正负极极片，旋转间隔时间可以随时取下正负极极片，观察镀膜情况，以便及时调整喷涂设备工艺参数，并能通过设置旋转次数控制镀膜厚度，省去再次装片，设置工艺条件等繁琐操作，缩短了生产周期，提高生产效率。
【附图说明】
图1是本发明一种聚合物锂离子电池的制备方法采用的喷涂设备结构示意图，喷涂设备包括底座、载物机构及喷涂区。
图2是图1所示底座、载物机构及喷涂区俯视结构示意图。
图3是本发明第一实施例聚合物锂离子电池的制备方法的工艺流程示意图。
图4是本发明第二实施例聚合物锂离子电池的制备方法的工艺流程示意图。
图5是本发明第三实施例聚合物锂离子电池的制备方法的工艺流程示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明结合以下具体实施例进行阐述。
请参考图1-2，本发明制备多孔凝胶电解质膜采用的喷涂设备100，包括一腔体1、一底座2、第一步进电机3、第二步进电机7、第一电机4、第二电机8、一载物机构5、一水平支撑件6、一可移动机械支撑件9、一喷涂机构10、一气氛口11、一排气口12、一机械泵13、一气体检测单元14、一压力传感器15、加热装置16、多个喷涂区17。底座2设置于腔体1下部，底座2内部设置有第一步进电机3与第一电机4，载物机构5配置于底座2上，用于承载物件，本发明实施例用于承载待喷涂的正负极极片，载物机构5包括但不限于平台、托盘、碗状、船形或杯状的容器，加热装置16设置于载物机构5内部，加热装置16是一种用于加热的组件，包括但不限于加热垫、加热盘、加热板、电热丝及电热器。第一步进电机3控制载物机构5上下移动，第一电机4控制载物机构5顺时针或逆时针水平方向旋转。载物机构5划分为多个喷涂区17，至少二个，喷涂区17在载物机构5上等角度均匀分布，喷涂区17用于承载正极极片或负极极片，载物机构5每旋转一次，一个喷涂区17对应位于喷涂机构10正下方。旋转一周360°，完成全部喷涂区17上的正极极片或负极极片喷涂，优选为喷涂区17有为三个，因而旋转一次的角度为120°，优选为旋转角速度为10°-60°/min，相邻喷涂区17的喷涂间隔时间为2-12min。加热装置16对载物机构5上正极极片或负极极片进行加热，优选为加热温度20-300℃。水平支撑件6设置于腔体1的顶部，水平支撑件6内部设置有第二步电机7与第二电机8，第二步进电机7连接可移动机械支撑杆9，喷涂机构10连接在可移动机械支撑杆9的下方，用于将凝胶电解质前驱液喷涂于正负极极片上，喷涂机构10包括但不限于喷头、喷枪、喷嘴、喷具。第二电机8控制第二步进电机7横向移动，第二步进电机7带动喷涂机构10沿支撑杆9上下移动。机械泵13、气氛口11与腔体1内部连通，机械泵13对腔体1抽真空，气氛口11通过气体管道对腔体1充入保护气体，排气口12与尾气处理装置连接，并与腔体外部相连，排除腔体1内部的废气，气体检测单元14实时监测工作腔体1的气氛，超过设定值，通过调节气氛口11的保护气体平衡腔体1气氛，保护气体的通入量通过压力传感器15控制。
实施例1
请参考图3，制备具有多孔凝胶电解质膜的锂离子电池的工艺流程包括步骤S11极片处理、步骤S12凝胶电解质前驱液配置、步骤S13喷涂过程、步骤S14电池封装及步骤S15电池成型，其具体实施步骤为：
步骤S11，极片处理：按照所需形状准备锂离子电池正极极片、负极极片，对正极极片、负极极片进行化学清洗或物理扫粉，保证其表面平整清洁无杂质，再高温除水，备用。其中正极极片、负极极片均为双面涂覆，正极极片涂覆活性材料为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂，镍钴锰三元正极材料，镍钴铝三元正极材料的任意一种或其混合；负极极片涂覆活性材料为石墨负极材料、钛酸锂、合金类负极材料、过渡金属氧化物负极材料任意一种或其混合。
步骤S12，凝胶电解质前驱液配置：a)将高分子聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)溶于溶剂N,N-二甲基甲酰胺(N,N-Dimethylformamide，DMF)中得到A1液；b)配制1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)，溶剂为碳酸二甲酯(Dimethylcarbonate，DMC)、碳酸二乙酯(Diethylcarbonat，DEC)、碳酸乙烯酯(Ethylenecarbonate，EC)，其体积比为1：1：1，为B1液；c)将A1、B1液混合均匀得到凝胶电解质前驱液C1，备用。
步骤S13，喷涂过程：a)使用图1所示喷涂设备，启动控制程序，设定喷涂的范围为一个喷涂区17所在区域，每一个喷涂区17上放置一负极极片，喷涂路径采用Z字迂回方式，设置喷涂机构10移动速度为0.5-300mm/s，喷涂流量为1-5ml/min，每次喷涂量为0.01-0.5ml/cm2，设置喷涂机构10与喷涂区17上负极极片的垂直距离为150-300mm，本实施例优选为喷涂机构10移动速度为1mm/s，喷涂流量为2ml/min，每次喷涂量为0.05ml/cm2，设置喷涂机构10与喷涂区17上负极极片的垂直距离为150mm；b)将凝胶电解质前驱液C1均匀地喷涂在负极极片上，喷涂过程中利用加热装置16加热，使载物机构5温度达到20-300℃，本实施例优选为30℃，给负极极片提供一定的成膜温度条件；c)载物机构5在一个负极极片完成喷涂后，以每20°/min的速度旋转120°，开始下一个喷涂基17上固定的负极极片的喷涂；d)喷涂完成的负极极片静置时间为120min，待造孔溶剂挥发，负极极片上原位生成凝胶电解质膜；e)重复以上操作，完成负极极片双面喷涂，最终获得双面涂覆凝胶电解质膜的负极复合体。
步骤S14，电池封装：正极极片与负极复合体交替叠片制备成裸电芯，焊接好正负极极耳，置于已冲壳的铝塑膜内，用热封机四周密封。
步骤S15，电池成型：经过化成，整形，除气得到凝胶聚合物锂离子电池。
实施例2
请参考图4，制备具有多孔凝胶电解质膜的锂离子电池的工艺流程与实施例1不同之处在于：
步骤S22，凝胶电解质前驱液配置：a)将高分子聚合物聚氧化乙烯(polyethyleneoxide，PEO)溶于有机溶剂N-甲基甲胺(Dimethylamine，DMA)中得到A2液；b)采用商业电解液为B2液；c)将A2、B2液混合均匀得到凝胶电解质前驱液C2，备用。
步骤S23，喷涂过程：a)使用图1所示喷涂设备，启动控制程序，设定喷涂的范围为一个喷涂区17所在区域，每一个喷涂区17上放置一正极极片，喷涂路径采用Z字迂回方式，设置喷涂机构10移动速度为2mm/s，喷涂流量为3ml/min，每次喷涂量为0.08ml/cm2，设置喷涂机构10与喷涂区17上正极极片的垂直距离为200mm；b)将凝胶电解质前驱液C2均匀地喷涂在正极极片上，喷涂过程中利用加热装置16加热，使载物机构5温度达到40℃，给正极极片提供一定的成膜温度条件；c)载物机构5在一个正极极片完成喷涂后，以每40°/min的速度旋转120°，开始下一个喷涂区17上固定的正极极片的喷涂；d)喷涂完成的正极极片静置时间为60min，待造孔溶剂挥发，正极极片上原位生成凝胶电解质膜；e)重复以上操作，完成正极极片双面喷涂，最终获得双面涂覆凝胶电解质膜的正极复合体。
步骤S24，电池封装：正极复合体与负极极片交替叠片制备成裸电芯，焊接好正负极极耳，置于已冲壳的铝塑膜内，用热封机四周密封。
实施例3
请参考图5，制备具有多孔凝胶电解质膜的锂离子电池的工艺流程与实施例1不同之处在于：
步骤S32，凝胶电解质前驱液配置：a)将高分子聚合物聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，PAN)溶于有机溶剂GBL中得到A3液；b)配制1mol/L的草酸二氟硼酸锂(LiODFB)，溶剂为聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、DMC，其对应体积比为1:1，作为B3液；c)将A3、B3液混合均匀得到凝胶电解质前驱液C3，备用。
步骤S33，喷涂过程：a)使用图1所示喷涂设备，启动控制程序，设定喷涂的范围为一个喷涂区17所在区域，每一个喷涂区17上放置一正极极片，喷涂路径采用Z字迂回方式，设置喷涂机构10移动速度为3mm/s，喷涂流量为4ml/min，每次喷涂量为1ml/cm2，设置喷涂机构10与喷涂区17上正极极片的垂直距离为300mm；b)将凝胶电解质前驱液C3均匀地喷涂在正极极片上，喷涂过程中利用加热装置16加热，使载物机构5温度达到50℃，给正极极片提供一定的成膜温度条件；c)载物机构5在一个正极极片完成喷涂后，以每60°/min的速度旋转120°，开始下一个喷涂区17上放置的正极极片的喷涂；d)喷涂完成的正极极片静置时间为20min，待造孔溶剂挥发，正极极片上原位生成凝胶电解质膜；e)重复以上操作，完成正极极片双面喷涂，最终获得双面涂覆凝胶电解质膜的正极复合体；f)重复以上操作，完成负极极片双面喷涂，最终获得双面涂覆凝胶电解质膜的负极复合体。
步骤S34，电池封装：正极复合体与负极复合体交替叠片制备成裸电芯，焊接好正负极极耳，置于已冲壳的铝塑膜内，用热封机四周密封。
容量保持率测试：将实施例1、2、3的锂离子电池在常温下以2C恒流充电至截止电压4.2V，再恒压充电至电流为0.05C，静置30min又以0.5C恒流放电，锂离子电池的放电截止电压为3V；再静置30min，锂离子电池按上述方式进行500次循环充放电测试。
第N周的容量保持率(％)＝[第N周的放电容量/第一周的放电容量]*100％，结果表1所示。
表1实施例1、2、3的锂离子电池循环后的容量保持率
由上述可知实施例1、实施例2及实施例3制备的锂离子电池500次充放电循环后容量保持率均在82％以上，因此采用此方法制备的锂离子电池的充放电性能优异。
与现有技术相比，本发明一种聚合物锂离子电池的制备方法具有以下优点：载物机构5划分多个喷涂区17，旋转载物机构5，有利于实现同时对多个正极极片或负极极片喷涂，在旋转一周360°前无需换下新的待镀正负极极片，旋转间隔时间可以随时取下正负极极片，观察镀膜情况，以便及时调整喷涂设备100工艺参数，并能通过设置旋转次数控制镀膜厚度，省去再次装片，设置工艺条件等繁琐操作，缩短了生产周期，提高生产效率。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：包括
步骤S11，提供待处理的正极极片、负极极片；
步骤S12，提供凝胶电解质前驱液液；
步骤S13，提供可旋转的载物机构，载物机构划分为多个喷涂区，放置上述的正极极片或负极极片在喷涂区；旋转载物机构，将凝胶电解质前驱液喷涂于载物机构上正极极片或负极极片上，原位生成凝胶电解质膜，获得正极复合体或负极复合体；
步骤S14，将正极复合体与负极极片，或正极复合体与负极复合体，或正极极片与负极复合体交替叠片制备成裸电芯；
及步骤S15，将上述裸电芯经过处理后得到凝胶聚合物锂离子电池。
2.如权利要求1所述的一种聚合物锂离子电池的制备方法，其特征在于：在步骤S12中，凝胶电解质前驱液为聚甲基丙烯酸甲酯溶于溶剂N,N-二甲基甲酰胺的溶液，与六氟磷酸锂溶液的混合溶液；其中六氟磷酸锂溶液的溶剂是体积比为1：1：1的碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯。
3.如权利要求1所述的一种聚合物锂离子电池制备方法，其特征在于：在步骤S12中，凝胶电解质前驱液为聚氧化乙烯溶于有机溶剂N-甲基甲胺的溶液，与商业电解液的混合溶液。
4.如权利要求1所述的一种聚合物锂离子电池制备方法，其特征在于：所述在步骤S13中，载物机构等角度均匀划分为多个喷涂区，每一个喷涂区放置一个正极极片或负极极片。
5.如权利要求1所述的一种聚合物锂离子电池制备方法，其特征在于：在步骤S13中，提供喷涂机构，所述喷涂机构移动的设置于载物机构上方，移动喷涂机构对喷涂区的极片进行喷涂，该喷涂机构的移动速度为1-3mm/s，喷涂流量为2-4ml/min，每次喷涂量为0.05-1ml/cm2。
6.如权利要求1所述的一种聚合物锂离子电池制备方法，其特征在于：在步骤S13中，所述载物机构在一个正极极片或负极极片完成喷涂后，旋转，进行相邻喷涂区喷涂，相邻喷涂间隔时间为2-12min。
7.如权利要求6所述的一种聚合物锂离子电池制备方法，其特征在于：所述载物机构旋转的角速度为10°-60°/min。
8.如权利要求1所述的一种聚合物锂离子电池制备方法，其特征在于：在步骤S13中，载物机构内部设置加热装置，加热装置对载物机构加热，加热温度为20-300℃。
9.一种制备聚合物锂离子电池的喷涂设备，其特征在于：包括载物机构、喷涂机构及加热装置，载物机构划分为多个喷涂区，用于放置待喷涂的极片，所述喷涂机构移动设置在载物机构上方，用于对载物机构上的待喷涂极片喷涂凝胶电解质前驱液，加热装置在载物机构内部用于对载物机构进行加热，使喷涂了凝胶电解质前驱液的极片上原位形成凝胶电解质膜。
10.如权利要求1所述的一种喷涂设备，其特征在于：进一步包括机械泵、气氛口、排气口、气体检测单元及压力传感器；所述机械泵及气氛口与喷涂设备内部相连，气体检测单元及压力传感器设置于喷涂设备内部，排气口与外部连接，采用机械泵进行抽真空，从气氛口充入保护气体，通过气体检测单元监测气氛，调节压力传感器，控制保护气氛的通入量，通过排气口排除内部废气。
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