CN107046122A - 一种锂离子电池负极极片的预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种锂离子电池负极的预处理方法，采用预处理剂对冷压后的锂离子电池负极极片进行预处理，而后将处理后的负极极片放入烘箱干燥，得到预处理负极极片。本发明方法使得锂离子电池负极提前发生膨胀，进而使得锂离子电池在注液后不再膨胀，使得锂离子电池制备过程中总的膨胀率降低，提高了锂离子电池的能量密度；同时由于提前膨胀使得锂离子电池中存在较多通孔，也避免了锂离子电池注液过程中可能发生的涨液问题。

Description

一种锂离子电池负极极片的预处理方法

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，涉及一种锂离子电池负极极片的预处理方法。

背景技术

自1991年锂离子电池问世以来，绿色能源的应用已经发生了翻天覆地的变化，也潜移默化的改变着人们的生活理念。技术的进步解决了锂离子电池技术上的一个个难题，应用范围也从最初的消费电子扩展到今天的汽车等行业。目前锂离子电池体积能量密度大概在550～600Wh/L，伴随材料和工艺的进步，锂电池能量密度仍在以每年6％左右的增幅增长。但随着石墨负极材料越来越接近理论克容量、正极材料电压越来越难以提高，可以预见目前的电化学体系下，大约3～5年之后，锂电池的能量密度将到达一个无法逾越的屏障。

现阶段提升锂电池能量密度的主要手段有：(1)采用石墨作为负极材料，目前市场上已经出现克容量365mAh/g以上的人造石墨样品，易于压实，性能良好，但这基本上属于石墨可以做到的上限，而硅碳等新型负极材料还不成熟，存在各种难以解决的难题；(2)提高钴酸锂正极材料的电压提高，4.4V钴酸锂正极材料已经全面投入使用，但4.45V及以上电压使用时则遇到很大的困难，高电压的钴酸锂正极材料循环差、安全性能也难以满足要求，三元材料克容量低，镍酸锂结构不稳定，正极材料的改进已经到达瓶颈期；(3)降低各类集流体、隔离膜厚度，虽然可以直接提升锂电池能量密度，但对锂电池安全产生不可估量的影响；(4)工艺改进，改进设备和工序，提高电芯一致性，但需要更换先进设备，投资巨大，改善效果有限。

体积能量密度和电芯容量、电芯平台电压、电芯体积三个因素有关，电芯容量和电芯平台电压在化学体系确定的情况下无法改变，因此，我们需要尽可能降低电芯出货时的体积，即降低电芯的出货厚度，而这取决于锂离子电池负极从冷压到出货的厚度膨胀率。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池负极的预处理方法，解决了现有技术中在提高锂离子电池能量密度的所存在的石墨负极材料越来越接近理论克容量、正极材料电压越来越难以提高，导致电池能量密度难以提高的问题，针对现有技术所存在的问题，对冷压后的锂离子电池负极进行预处理，以消除极片内应力，使其提前反弹，达到降低负极极片膨胀，提高电芯体积能量密度的目的。

本发明所采用的技术方案是，采用预处理剂对冷压后的锂离子电池负极极片在预处理设备上按照相应的预处理方法进行处理，将处理后的负极极片放入烘箱干燥，得到预处理负极极片。

本发明的特点还在于，

其中预处理剂为去离子水、N-甲基吡咯烷酮、无水乙醇或丙酮中的一种。

其中预处理设备为浸渍设备。

其中预处理方法为浸渍法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入浆槽中，保持浆槽温度20～25℃；

步骤2、将待处理极片放在浸渍设备上，浸渍驱动辊转动带动放卷轴、上导向辊和下导向辊转动，极片在下导向辊的作用下浸渍在浆槽的预处理剂中，其中浸渍驱动辊的运转速度为30～50r/min，极片和预处理剂的固液比为1：10～20；

步骤3、浸渍后的极片通过转向辊的作用送入烘箱烘燥后再次由转向辊送入入烘箱烘燥，烘箱温度为50～120℃。

步骤4、从烘箱底部送出的极片经浸渍驱动辊和收卷轴的作用送出浸渍设备，完成浸渍。

其中预处理设备为喷涂设备。

其中预处理方法为喷涂法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入喷头中，保持喷头温度20～25℃；

步骤2、将待处理极片放在喷涂设备上，在喷涂驱动辊的作用下，放带轴和收带轴转动，使得极片向前传送，当极片经过喷头时，喷头将其中的预处理剂喷洒在极片表面，喷涂驱动辊的转速为30～50r/min，喷头14的喷洒量为10～20g/m²；

步骤3、喷涂过预处理剂后的极片在收带轴的作用下进入烘箱烘燥，完成喷涂，烘燥温度为50～120℃。

预处理设备为印刷设备。

其中预处理方法为印刷法，具体预处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入加料枪中，加料枪将预处理剂加入料槽中，保持料槽的温度20～25℃，喷枪的喷洒量为10～20g/m²；

步骤2、将待处理极片放在印刷设备上，在印刷驱动辊的作用下，加压辊和凹版辊转动，通过凹版辊与加压辊的作用将凹版辊表面的预处理印刷在极片表面，其中凹版辊的转速为30～50r/min；

步骤3、负极极片在印刷驱动辊的作用下进入烘箱烘燥，完成印刷，烘燥温度为50～120℃。

本发明的有益效果是，

通过对冷压后的负极采用预处理剂进行预处理，预处理剂浸入负极极片内部，负极极片活性材料颗粒浸润膨胀，膨胀能够消除由于冷压带来的极片内应力，负极极片发生预膨胀，可将正常工序中的冷压后极片的反弹膨胀和注液后的浸润膨胀两个阶段合二为一，负极极片在此时提前预膨胀，而预膨胀之后，在注液工序中极片厚度不再增加，整体而言预膨胀后极片的膨胀率小于正常工序中这两个阶段的膨胀率之和，因此可以降低电芯负极的整体膨胀，达到降低电芯厚度和体积的目的，从而提升电芯的体积能量密度；同时，负极预膨胀增加了很多孔隙和通道，有利于电解液保有量的增加，一定程度上也可以缓解涨液问题。

预处理后的负极极片膨胀率约为6％～8％，注液工序中极片厚度不再增加，化成时极片仅再膨胀4％左右，因此冷压后到出货前负极整体厚度变化仅为10～12％，明显小于正常工序总体15～18％的膨胀，由此预处理所带来的电芯体积能量密度提升2％～3％，极大缓解了材料开发和设备工艺改进的压力。

附图说明

图1是本发明方法的工艺流程图；

图2是本发明方法中浸渍设备结构示意图；

图3是本发明方法中喷涂设备结构示意图；

图4是本发明方法中印刷设备结构示意图。

图中，1.放卷轴，2.上导向辊，3.下导向辊，4.浆槽，5.浆位探头，6.操作基台，7.烘箱，8.转向辊，9.浸渍驱动辊，10.收卷轴，11.放带轴，12.喷涂驱动辊，13.收带轴，14.喷头，15.凹版辊，16.加压辊，17.加料枪，18.刮刀，19.料槽，20.印刷驱动辊。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是本发明方法的工艺流程图，如图1所示，通过采用预处理剂对冷压后的负极极片进行预处理，使得负极极片预膨胀，处理后的负极极片放入烘箱烘燥，得到预处理负极极片。

图2本发明方法中采用浸渍设备结构示意图，如图2所示，浸渍驱动辊9驱动转向辊8转动，转向辊8转动带动放卷轴1、上导向辊2和下导向辊3转动，极片在由放卷轴1送出，而后极片在上导向辊2、下导向辊3的作用下浸入浆槽4中，设置在操作基台6上的浆位探头5能够实时监测浆槽4中预处理剂的量，以便在预处理剂不足时方便人们给浆槽4中加入预处理剂，浸渍后的极片在转向辊8的作用下极片进入烘箱7烘燥，极片在经过转向辊8的时候再次进入烘箱7烘燥，之后极片从烘箱底部送出，在浸渍驱动辊9的作用下，由收卷轴10卷绕，完成浸渍。

图3是本发明方法中喷涂设备结构示意图，如图3所示，喷涂驱动辊12转动，从而带动放带轴11转动，放带轴11将极片输送出来，当极片经过喷头14时，喷头14将其中的预处理剂喷洒在极片表面，在收带轴13的作用下，极片进入烘箱烘燥，完成喷涂。

图4是本发明方法中印刷设备结构示意图，如图4所示，印刷驱动辊20转动，带动加压辊16转动，加压辊16与凹版辊15为一对压力辊，因而加压辊16转动带动凹版辊15转动，凹版辊15转动过程中首先经过加料枪17，加料枪17将其中的预处理剂喷涂在凹版辊15的表面，而后预处理剂加入料槽19中，凹版辊15转动过程中沾取料槽19中的预处理剂，然后经过刮刀18将凹版辊15表面的预处理剂刮匀，在压力辊16牵引作用下极片被压入压力辊16和凹版辊15之间，在压力辊16的加压作用下，将凹版辊15表面的预处理剂印刷到极片表面，而后在印刷驱动辊20的作用下，将印刷后的极片送入烘箱烘燥。

本发明一种锂离子电池负极的预处理方法，采用预处理剂对冷压后的锂离子电池负极极片在预处理设备上进行预处理，将处理后的负极极片放入烘箱干燥，得到预处理负极极片。

其中预处理剂为去离子水、N-甲基吡咯烷酮、无水乙醇或丙酮中的一种。

其中预处理设备为浸渍设备。

其中预处理方法为浸渍法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入浆槽4中，保持浆槽4温度20～25℃；

步骤2、将待处理极片放在浸渍设备上，浸渍驱动辊9转动带动放卷轴1、上导向辊2和下导向辊3转动，极片在下导向辊3的作用下浸渍在浆槽4的预处理剂中，其中浸渍驱动辊9的运转速度为30～50r/min，极片和预处理剂的固液比为1：10～20；

步骤3、浸渍后的极片通过转向辊8的作用送入烘箱7烘燥后再次由转向辊8送入烘箱7烘燥，烘箱7温度为50～120℃。

步骤4、从烘箱底部送出的极片经浸渍驱动辊9和收卷轴10的作用送出浸渍设备，完成浸渍。

其中预处理设备为喷涂设备。

其中预处理方法为喷涂法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入喷头14中，保持喷头温度20～25℃；

步骤2、将待处理极片放在喷涂设备上，在喷涂驱动辊12的作用下，放带轴11和收带轴13转动，使得极片向前传送，当极片经过喷头14时，喷头14将其中的预处理剂喷洒在极片表面，喷涂驱动辊12的转速为30～50r/min，喷头14的喷洒量为10～20g/m²；

步骤3、喷涂过预处理剂后的极片在收带轴11的作用下进入烘箱烘燥，完成喷涂工艺，烘燥温度为50～120℃。

其中预处理设备为印刷设备。

其中预处理方法为印刷法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入加料枪17中，加料枪17将预处理剂加入料槽19中，保持料槽19的温度20～25℃；

步骤2、将待处理极片放在印刷设备上，在印刷驱动辊20的作用下，加压辊16和凹版辊15转动，加压辊16带动极片传送，凹版辊15在转动过程中经过加料枪17的时候，加料枪17将其中的预处理剂喷涂在凹版辊15的表面，而后凹版辊15在转动过程中沾取料槽19中的预处理剂，凹版辊15转动过程中经过刮刀18作用而变均匀，当极片进入加压辊16与凹版辊15之间时，通过加压辊16与凹版辊15之间的压力，将凹版辊15表面的预处理剂印刷在极片表面，其中凹版辊15的转速为30～50r/min，加料枪17的喷洒量为10～20g/m²；

步骤3、负极极片在印刷驱动辊20的作用下进入烘箱烘燥，完成印刷工艺，烘燥温度为50～120℃。

采用本发明方法，使用预处理剂对锂离子电池负极进行预处理，预处理剂浸入负极极片内部，负极极片活性材料颗粒膨胀，膨胀能够消除由于冷压所带来的负极极片内应力，在此时负极极片提前预膨胀，在注液工序中极片厚度不再增加，将传统工序中冷压后极片的反弹膨胀和注液后的浸润膨胀两个阶段合二为一，因此可以降低电芯负极的整体膨胀，降低了传统电池生产工序的膨胀率，提高了电池能量密度。本发明操作简单，自动化程度高，适合锂电池大规模、连续化、自动化生产。

实施例1

采用预处理剂对冷压后的负极极片进行预处理，并将处理后的负极极片放入烘箱烘燥，得到预处理负极极片，其中预处理剂为去离子水，预处理方法为浸渍法，采用浸渍设备处理，具体的处理过称为：

步骤1、将去离子水倒入浆槽4中，保持浆槽温度20℃；

步骤2、将待处理负极极片放在浸渍设备上，浸渍驱动辊9带动放卷轴1、上导向辊2和下导向辊3转动，极片在下导向辊3的作用下浸渍在浆槽4的去离子水中，设置在操作基台6上的浆位探头5能够实时监测浆槽4中去离子水的量，以便在去离子水不足时方便人们给浆槽4中加入去离子水，其中浸渍驱动辊转动速度为30r/min，去离子水和冷压后的负极固液比1：10；

步骤3、将从浆槽4中出来后的极片在转向辊8的作用下进入烘箱7中烘燥，从烘箱7中出来的极片在转向辊8的作用下再次进入烘箱7烘燥，烘箱的温度为50℃，烘燥时间为1h；

步骤4、烘燥后的极片从烘箱7底部送出，在浸渍驱动辊9和收卷轴10的作用下卷绕，完成浸渍过程，得到预处理负极极片。

实施例2

采用预处理剂对冷压后的负极极片进行预处理，并将处理后的负极极片放入烘箱烘燥，得到预处理负极极片，其中预处理剂为无水乙醇，预处理方法为喷涂法，预处理设备为喷涂设备，具体处理过程为：

步骤1、将无水乙醇放入喷头14中，喷头温度为20℃，喷头的喷洒量为10g/m²；

步骤2、将待处理极片放在喷涂设备上，在喷涂驱动辊12的作用下，放带轴11和收带轴13转动，使得极片向前传送，当极片经过喷头14时，喷头14将其中的预处理剂喷洒在极片表面，其中喷涂驱动辊的转速为40r/min；

步骤3、喷涂过预处理剂后的极片在收带轴11的作用下进入烘箱烘燥，完成喷涂过程，得到预处理负极极片，其中烘箱温度为90℃，烘燥时间为1.5h。

实施例3

采用预处理剂对冷压后的极片进行预处理，并将处理后的负极极片放入烘箱烘燥，得到预处理负极极片，其中预处理剂为丙酮，预处理方法为印刷法，预处理设备为印刷设备，具体处理过程为：

步骤1、将丙酮放入加料枪17中，加料枪17将丙酮加入料槽19中，其中加料枪的喷洒量为20g/m²，保持料槽的温度25℃；

步骤2、将待处理极片放在印刷设备上，在印刷驱动辊20的作用下，加压辊16和凹版辊15转动，加压辊16带动极片传送，凹版辊15在转动过程中经过加料枪17的时候，加料枪17将其中的丙酮喷涂在凹版辊15的表面，而后凹版辊15在转动过程中沾取料槽19中的丙酮，凹版辊15转动过程中经过刮刀18作用而变均匀，当极片进入加压辊16与凹版辊15之间时，通过加压辊16与凹版辊15之间的压力，将凹版辊15表面的丙酮印刷在极片表面，其中印刷驱动辊的转速为50r/min；

步骤3、负极极片在印刷驱动辊20的作用下进入烘箱烘燥，完成印刷过程，得到预处理负极极片，其中烘箱的干燥温度为120℃，烘燥时间为2h。

将上述三种实施例所得到的预处理负极极片和传统工序中冷压后的极片分别进行裁片，裁片成长度为1000mm，宽度为150mm的负极片，将裁片后的预处理负极极片卷绕，并将电解液注入卷绕后的负极极片中，静置2h，其中对比例为传统工序中冷压后的极片处理效果，对比预处理的负极极片和未经预处理的负极极片的膨胀率，结果如表1所示。

表1预处理后的负极极片与未预处理的负极极片性能对比

从表1可得，经过预处理后的锂离子电池负极极片的膨胀率都比传统工序中未经预处理所得锂离子电池负极极片的膨胀率低，并且预处理后的锂离子电池负极的能量密度均有所增大。

Claims (8)

1.一种锂离子电池负极极片的预处理方法，其特征在于，采用预处理剂对冷压后的锂离子电池负极极片在预处理设备上按照相应的预处理方法进行处理，将处理后的负极极片放入烘箱干燥，得到预处理负极极片。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极极片的预处理方法，其特征在于，所述的预处理剂为去离子水、N-甲基吡咯烷酮、无水乙醇或丙酮中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池负极极片的预处理方法，其特征在于，所述的预处理设备为浸渍设备。

4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池负极极片的预处理方法，其特征在于，所述的预处理方法为浸渍法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入浆槽中，保持浆槽温度20～25℃；

步骤2、将待处理极片放在浸渍设备上，浸渍驱动辊转动带动放卷轴、上导向辊和下导向辊转动，极片在下导向辊的作用下浸渍在浆槽的预处理剂中，其中浸渍驱动辊的运转速度为30～50r/min，极片和预处理剂的固液比为1：10～20；

步骤3、浸渍后的极片通过转向辊的作用送入烘箱烘燥后再次由转向辊送入入烘箱烘燥，烘箱温度为50～120℃。

步骤4、从烘箱底部送出的极片经浸渍驱动辊和收卷轴的作用送出浸渍设备，完成浸渍。

5.根据权利要求2所述的一种锂离子电池负极极片的预处理方法， 其特征在于，所述的预处理设备为喷涂设备。

6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池负极极片的预处理方法为喷涂法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入喷头中，保持喷头温度20～25℃；

步骤2、将待处理极片放在喷涂设备上，在喷涂驱动辊的作用下，放带轴和收带轴转动，使得极片向前传送，当极片经过喷头时，喷头将其中的预处理剂喷洒在极片表面，喷涂驱动辊的转速为30～50r/min，喷头14的喷洒量为10～20g/m²；

步骤3、喷涂过预处理剂后的极片在收带轴的作用下进入烘箱烘燥，完成喷涂工艺，烘燥温度为50～120℃。

7.根据权利要求2所述的一种锂离子电池负极极片的预处理方法，特征在于，所述的预处理设备为印刷设备。

8.根据权利要求7所述的一种锂离子电池负极极片的预处理方法，其特征在于，所述的预处理方法为印刷法，具体处理步骤是：

步骤1、将预处理剂放入加料枪中，加料枪将预处理剂加入料槽中，保持料槽的温度20～25℃，喷枪的喷洒量为10～20g/m²；

步骤2、将待处理极片放在印刷设备上，在印刷驱动辊的作用下，极片输送至加压辊与凹版辊之间，加压辊与凹版辊作用将凹版辊表面的预处理印刷在极片表面，其中凹版辊的转速为30～50r/min；

步骤3、负极极片在印刷驱动辊的作用下进入烘箱烘燥，完成印刷过程，烘燥温度为50～120℃。