CN106532061A - 一种锂离子电池正极集流体处理装置及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子电池正极集流体处理装置及其处理方法，本发明包括立柱以及设置在立柱上的样品台，还包括绝缘反应腔、清洗腔，样品台上分别设有与绝缘反应腔、清洗腔相配合的卡槽，绝缘反应腔内设有等离子发生器，清洗腔内设有清洗装置，样品台上设有传送装置。本发明集流体处理方法包括集流体表面进行改性处理和集流体表面清洗处理。本发明锂离子电池正极集流体处理装置，结构简单，操作方便，可以实现大面积、高效处理样品，本发明锂离子电池正极集流体处理方法，适用范围广、条件温和、一致性高、生产成本低、操作安全、适合工业化生产且应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及电池集流体处理技术领域，涉及一种锂离子电池正极集流体处理装置及其处理方法。
背景技术
锂离子电池作为电动汽车和混合动力汽车的能源，具有充放电电流大、散热条件差的缺点，因此其安全性是所有车企的关心焦点。活性物质的结构与性质、正负极与电解液体系的界面反应、电池制造工艺、工作环境等都是影响电池安全性等的因素。另外，锂离子电池正极集流体的耐腐蚀性，也是很大程度上影响着电池安全性能。
铝箔是商业化的锂离子电池正极集流体。以热力学角度分析，锂离子电池充放电过程中铝会被氧化。铝表面的致密氧化膜促使集流体在多数情况下动力学上呈稳定状态。集流体在电解液中发生的腐蚀反应将会造成非常严重的后果。锂离子电池正极集流体腐蚀会产生以下影响：a、产物会造成钝化或攻击正极活性材料；b、腐蚀的固体产物将增加电池内阻；c、腐蚀可溶性产物污染电解液，提高电池自放电率；d、腐蚀产生的Al3+将迁移到负极并被还原沉积，造成电池容量衰减。因此，抑制铝集流体的腐蚀，对提高锂离子电池的循环寿命和安全性能具有重大意义。此外，活性物质与集流体间的粘结力与电池负载的电流密度及循环寿命息息相关。
目前，广泛应用的集流体处理方法有：物理机械抛光、化学抛光、表面氟化、铬酸盐表面钝化、高温氧化、碳氟化合物包覆等。但是这些方法都存在效率低、处理不彻底、不均匀的缺陷。这些方法在实际应用中受到了限制。因此，提供一种适用范围广，条件温和，且能高效、简便、一致性高的集流体处理技术势在必行。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种锂离子电池正极集流体处理装置及其处理方法，解决了现有技术中集流体处理效率低、处理不彻底、不均匀的技术问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种锂离子电池正极集流体处理装置，包括立柱以及设置在立柱上的样品台，还包括用于活化处理剂的绝缘反应腔、用于清洗集流体的清洗腔，所述样品台上分别设有与绝缘反应腔、清洗腔相配合的卡槽，所述绝缘反应腔内设有等离子发生器且其位于样品台一端的正上方，所述清洗腔内设有清洗装置且其位于样品台另一端的正上方，所述样品台上设有用于运送集流体的传送装置。
优选的，所述绝缘反应腔内还设有用于控制等离子发生器升降的第一升降机，第一升降机分别连接第一升降台和第一支架，第一支架与所述等离子发生器连接。
优选的，所述等离子发生器通过管道与雾化装置连接，所述雾化装置通过设有流量计的管道连接储气罐，所述等离子发生器还连接高压电源。
优选的，所述清洗装置通过第二支架与第二升降机连接，所述第二升降机连接第二升降台。
优选的，所述样品台与电机连接，所述样品台上设有加热装置，所述加热装置位于所述清洗装置正下方。
优选的，所述第一升降机、第二升降机、电机均由计算机控制。
一种利用所述锂离子电池正极集流体处理装置的锂离子电池正极集流体处理方法，包括以下步骤：
S1、将待处理集流体样品摊平置于样品台上；
S2、雾化装置将处理剂均匀分散在载气中，载有处理剂的载气通过管道进入绝缘反应腔，通过等离子发生器的作用，将载有处理剂的等离子体对样品台上的集流体表面进行改性处理；
S3、传送装置将步骤S2改性处理后的集流体运送到清洗装置正下方，进行表面清洗处理，清洗时间为1-5min，重复2-3次，60-85℃烘干，即可。
优选的，步骤S2所述载气为纯度≥99.9%的氮气、氩气、氦气中的至少一种。
优选的，步骤S2所述载气的流量为0-100mL/min。
优选的，步骤S2所述处理剂为氢氧化钠、铬酸、双氧水、盐酸、硫酸、氟化钠、四氯化钛水溶液、表面活性剂中的一种，或者为铬酸、双氧水、盐酸、硫酸中的中至少一种，或者磷酸、氟化钠、铬酐中的至少一种。
本发明提供一种锂离子电池正极集流体处理装置及其处理方法，与现有技术相比优点在于：
本发明锂离子电池正极集流体处理装置，结构简单，操作方便，可以实现大面积、高效处理样品，并适于在工业化生产中；
本发明锂离子电池正极集流体处理方法采用常温常压放电方法得到能量高、穿透力强的等离子体，将载有处理剂的等离子体对待处理集流体样品表面进行改性处理，改善集流体表面的粗糙度、亲水性，激发集流体表面的活性，处理效果均匀、彻底，改性处理提高了集流体表面的粗糙度，有益于增强活性物质和集流体间的粘结力；
本发明处理后的集流体所制备的锂离子电池表现出更优异循环性能的同时具有更大的放电比容量，本发明锂离子电池正极集流体处理方法，适用范围广、条件温和、一致性高、生产成本低、操作安全、适合工业化生产且应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明锂离子电池正极集流体处理装置结构示意图。
图中：1、立柱；2、样品台；3、储气罐；4、流量计；5、雾化装置；6、管道；7、等离子发生器；8、高压电源；9、绝缘反应腔；10、第一升降台；11、第一升降机；12、第一支架；13、清洗腔；14、第二升降台；15、第二升降机；16、第二支架；17、清洗装置；18、加热装置；19、电机；20、计算机；21、传送装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明锂离子电池正极集流体处理装置，包括立柱1以及设置在立柱1上的样品台2，还包括用于活化处理剂的绝缘反应腔9、用于清洗集流体的清洗腔13，样品台2上分别设有与绝缘反应腔9、清洗腔13相配合的卡槽，绝缘反应腔9内设有等离子发生器7且其位于样品台2一端的正上方，清洗腔13内设有清洗装置17且其位于样品台2另一端的正上方，样品台2上设有用于运送集流体的传送装置21，可以根据实际情况对清洗时间和次数进行调整，时间可调节范围为0-10min；
绝缘反应腔9内还设有用于控制等离子发生器7升降的第一升降机11，第一升降机11分别连接第一升降台10和第一支架12，第一支架12与等离子发生器7连接；
等离子发生器7通过管道6与雾化装置5连接，雾化装置5通过设有流量计4的管道6连接储气罐3，等离子发生器7还连接高压电源8，雾化装置5的目的是使得处理剂尽可能均匀分散于载气中，采用脉冲电源放电方法在等离子体枪口获得等离子体，电压调节范围为0-50KV，频率调节范围为5Hz-5KHz；
清洗装置17通过第二支架16与第二升降机15连接，第二升降机15连接第二升降台14；样品台2与电机19连接，样品台2上设有加热装置18，加热装置18位于清洗装置17正下方，为了提高样品烘干速度，加热装置18温度调节范围为0-200℃；
第一升降机11、第二升降机15、电机19均由计算机20控制，计算机20控制第一升降机11和第二升降机15的升降，进而带动清洗腔13和绝缘反应腔9的升降，电机19控制样品台2的水平移动。
工作开始前，第一升降机11通过第一升降台10和第一支架12的作用，将绝缘反应腔9与样品台2利用卡槽固定，工作时，首先，将待处理集流体样品摊平置于样品台2上，（集流体的材质为铝或者铝合金制备的集流体，即为铝金属或者含有铝的铁、铜、银、钛金属合金），将处理剂注入雾化装置5进行雾化处理，储气罐3中的载气将雾化处理后的处理剂带至等离子体发生器7，开启等离子体发生器7的高压电源8，调节电压和频率，启动等离子体喷枪装置，将含处理剂的等离子体流喷射到待处理的集流体样品上，完成等离子体对集流体表面进行改性处理；接着松开卡槽，第一升降机11通过第一升降台10和第一支架12的作用，将绝缘反应腔9提升，与样品台2分离，传动装置21将集流体样品传送置清洗腔13的清洗装置17正下方，然后第二升降机15通过第二升降台14和第二支架16的作用，将清洗腔13下降与样品台通过卡槽固定，清洗装置17对改性处理完成的集流体进行表面清洗处理，处理完成后，松开卡槽，第二升降机15通过第二升降台14和第二支架16的作用将清洗腔13提升，传送装置21运出清洗处理后的集流体样品。
实施例1：
本实施例锂离子电池正极集流体处理方法，包括以下步骤：
S1、将待处理集流体样品摊平置于样品台上；
S2、在雾化装置中注入0.4mol/L处理剂四氯化钛水溶液，并进行雾化处理，采用纯度99.99%的氩气做为载气，载气流速为25mL/min，载气将处理试剂运输到等离子体发生装置，开启等离子体发生装置的高压电源，调节电压14KV和频率1.1 KHz，启动等离子体喷枪装置，将含有四氯化钛的等离子体流喷射到待处理样品上，处理时间为6min，完成等离子体对集流体表面进行改性处理；
S3、采用去离子水对步骤S2改性处理完成的集流体进行表面清洗处理，清洁时间5min，重复两次， 80℃烘干，即可。
实施例2：
本实施例锂离子电池正极集流体处理方法，包括以下步骤：
S1、将待处理集流体样品摊平置于样品台上；
S2、在雾化装置中注入0.5mol/L氟化钠水溶液，并进行雾化处理，采用纯度99.99%的氮气做为载气，载气流速为10mL/min，载气将处理试剂运输到等离子体发生装置，开启等离子体发生装置的高压电源，调节电压6KV和频率2.2 KHz，启动等离子体喷枪装置，将含有氟化钠的等离子体流喷射到待处理样品上，处理时间为1min，完成等离子体对集流体表面进行改性处理；
S3、采用去离子水对步骤S2改性处理完成的集流体进行表面清洗处理，清洁时间1min，重复三次， 60℃烘干，即可。
将本实施例得到的表面改性的集流体与未改性的集流体分别用于制作NCM622/Li扣式锂离子电池的正极集流体。正极浆料配比为：（NCM622：SP：PVDF=8:1:1，质量比），涂布厚度35μm，测试所制备极片的剥离强度。结果显示，改性后集流体所制备极片的剥离强度为400N/m，未改性样品的剥离强度为200N/m。由此可见，改性处理提高了铝箔表面的粗糙度，该改性处理有益于增强活性物质和集流体间的粘结力。
实施例3：
本实施例锂离子电池正极集流体处理方法，包括以下步骤：
S1、将待处理集流体样品摊平置于样品台上；
S2、在雾化装置中注入0.05mol/L氢氧化钠水溶液，并进行雾化处理，采用纯度99.9%的氮气、氦气和氩气混合气体（N2：He：Ar =2：1：0.05，体积比）做为载气，载气流速为50mL/min，载气将处理试剂运输到等离子体发生装置，开启等离子体发生装置的高压电源，调节电压5KV和频率1.2 KHz，启动等离子体喷枪装置，将含有氢氧化钠的等离子体流喷射到待处理样品上，处理时间为5s，完成等离子体对集流体表面进行改性处理；
S3、采用去离子水对步骤S2改性处理完成的集流体进行表面清洗处理，清洁时间3min，重复三次， 80℃烘干，即可。
将本实施例得到的表面改性的集流体与未改性的集流体分别用于制作NCM622/Li扣式锂离子电池的正极集流体。正极浆料配比为：（NCM622：SP：PVDF=8:1:1，质量比），涂布厚度30μm，测试电池的电性能。
在2C倍率下，表面改性的集流体所制备纽扣电池的放电容量为160 mAh/g。未经过处理的铝箔，所制备纽扣电池的放电容量只有143 mAh/g。由此可见，处理后的集流体所制备的锂离子电池具有更优异的倍率性能。
实施例4：
本实施例锂离子电池正极集流体处理方法，包括以下步骤：
S1、将待处理集流体样品摊平置于样品台上；
S2、在雾化装置中注入磷酸25 g/L、氟化钠 0.5 g/L、铬酐0.1g/L混合溶液，并进行雾化处理，纯度99.9%的氮气和氩气混合气体（N2:Ar:=4：1，体积比）为载气，流量为10mL/min，将处理试剂运输到等离子体发生装置，开启等离子体高压电源，电压15KV，1.5 KHz，启动等离子体喷枪装置，将含有混合溶液的等离子体流喷射到待处理样品上，处理5s，完成等离子体对集流体表面进行改性处理；
S3、采用去离子水对步骤S2改性处理完成的集流体进行表面清洗处理，清洁时间3min，重复两次， 80℃烘干，即可。
将本实施例得到的表面改性的集流体与未改性的集流体分别为做NCM622/Li扣式锂离子电池正极集流体。正极浆料配比为：（NCM811：SP：PVDF=8:1:1，质量比）涂布厚度32μm。
在1C倍率下，测试电池的循环性能。表面改性的集流体所制备纽扣电池，循环300周，容量保持率为98.6%。未经过处理的铝箔所制备纽扣电池，循环300周后，容量保持率为62.8%。由此可见，处理后的集流体所制备的锂离子电池具有更优异的循环性能。
实施例5：
本实施例锂离子电池正极集流体处理方法，包括以下步骤：
S1、将待处理集流体样品摊平置于样品台上；
S2、在雾化装置中注入纯水，并进行雾化处理，纯度99.99%的四氟甲烷为载气，流量为10mL/min，开启等离子体高压电源，电压8KV，3.5 KHz，启动等离子体喷枪装置，将等离子体流喷射到待处理样品上，处理20s，完成等离子体对集流体表面进行改性处理；
S3、采用去离子水对步骤S2改性处理完成的集流体进行表面清洗处理，清洁时间2.5min，重复三次， 85℃烘干，即可。
将本实施例得到的表面改性的集流体与未改性的集流体分别为做NCM622/Li扣式锂离子电池正极集流体。正极浆料配比为：（NCM622：SP：PVDF=8.3:1:0.7，质量比），涂布厚度33μm。
在0.2C倍率下，测试电池的循环性能。表面改性的集流体所制备纽扣电池首次循环的放电容量为205mAh/g，循环500周后容量保持率为92.9%，容量衰减很小，表明电池具有非常好的稳定性能。未处理的铝箔所制备纽扣电池的首次放电容量为187 mAh/g，电池在循环500周后容量保持率为60.7%。由此可见，处理后的集流体所制备的锂离子电池表现出更优异循环性能的同时具有更大的放电比容量。
综上所述，本发明锂离子电池正极集流体处理装置，结构简单，操作方便，可以实现大面积、高效处理样品，并适于在工业化生产中；
本发明锂离子电池正极集流体处理方法采用常温常压放电方法得到能量高、穿透力强的等离子体，将载有处理剂的等离子体对待处理集流体样品表面进行改性处理，改善集流体表面的粗糙度、亲水性，激发集流体表面的活性，处理效果均匀、彻底，改性处理提高了集流体表面的粗糙度，有益于增强活性物质和集流体间的粘结力；
本发明处理后的集流体所制备的锂离子电池表现出更优异循环性能的同时具有更大的放电比容量，本发明锂离子电池正极集流体处理方法，适用范围广、条件温和、一致性高、生产成本低、操作安全、适合工业化生产且应用前景广泛。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池正极集流体处理装置，包括立柱以及设置在立柱上的样品台，其特征在于：还包括用于活化处理剂的绝缘反应腔、用于清洗集流体的清洗腔，所述样品台上分别设有与绝缘反应腔、清洗腔相配合的卡槽，所述绝缘反应腔内设有等离子发生器且其位于样品台一端的正上方，所述清洗腔内设有清洗装置且其位于样品台另一端的正上方，所述样品台上设有用于运送集流体的传送装置。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池正极集流体处理装置，其特征在于：所述绝缘反应腔内还设有用于控制等离子发生器升降的第一升降机，第一升降机分别连接第一升降台和第一支架，第一支架与所述等离子发生器连接。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池正极集流体处理装置，其特征在于：所述等离子发生器通过管道与雾化装置连接，所述雾化装置通过设有流量计的管道连接储气罐，所述等离子发生器还连接高压电源。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池正极集流体处理装置，其特征在于：所述清洗装置通过第二支架与第二升降机连接，所述第二升降机连接第二升降台。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池正极集流体处理装置，其特征在于：所述样品台与电机连接，所述样品台上设有加热装置，所述加热装置位于所述清洗装置正下方。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池正极集流体处理装置，其特征在于：所述第一升降机、第二升降机、电机均由计算机控制。
7.一种利用权利要求1-6任一所述锂离子电池正极集流体处理装置的锂离子电池正极集流体处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将待处理集流体样品摊平置于样品台上；
S2、雾化装置将处理剂均匀分散在载气中，载有处理剂的载气通过管道进入绝缘反应腔，通过等离子发生器的作用，将载有处理剂的等离子体对样品台上的集流体表面进行改性处理；
S3、传送装置将步骤S2改性处理后的集流体运送到清洗装置正下方，进行表面清洗处理，清洗时间为1-5min，重复2-3次，60-85℃烘干，即可。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池正极集流体处理方法，其特征在于：步骤S2所述载气为纯度≥99.9%的氮气、氩气、氦气中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池正极集流体处理方法，其特征在于：步骤S2所述载气的流量为0-100mL/min。
10.根据权利要求7所述的锂离子电池正极集流体处理方法，其特征在于：步骤S2所述处理剂为氢氧化钠、铬酸、双氧水、盐酸、硫酸、氟化钠、四氯化钛水溶液、表面活性剂中的一种，或者为铬酸、双氧水、盐酸、硫酸中的中至少一种，或者磷酸、氟化钠、铬酐中的至少一种。
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