CN107644973A - 一种复合锂带生产装置及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合锂带生产装置及生产方法。装置包括收放卷机构、贴合辊和供电件，方法步骤为：第一步，将带状锂源、固体电解质和复合锂带基体贴合，贴合时使带状固体电解质位于带状锂源和带状复合锂带基体之间；第二步，分别将带状锂源与电源正极电连接、将复合锂带基体与电源负极电连接；第三步，接通电源，依靠正、负极之间的电化学反应，使锂源的锂离子穿过固体电解质向复合锂带基体移动、在复合锂带基体上得电子还原，生产金属锂，从而制得复合锂带。本发明提供一种复合锂带生产的新技术，通过电化学方法实现在复合锂带基体上电镀锂层，不仅工序简单高效而且电镀出的锂层的厚度均匀且极薄，可满足复合锂带对厚度的严格要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合锂带生产装置及生产方法。
背景技术
锂硫电池是未来电池发展的方向之一，锂硫电池通常采用金属锂作为负极材料。锂的理论比容量高达3860mAh/g，通常一薄层金属锂(100μm以下)即可满足容量要求，因此超薄金属锂带具有潜在市场需求。囿于自身的物理特性，金属锂带抗张强度较差，容易褶皱、断裂，且厚度越小，出现褶皱、断裂的机会越大。因此一般选择一种抗张强度较大的箔材(例如铜箔)作复合锂带基体，在其上覆一层锂带，形成复合锂带。利用抗张强度大的铜箔作为锂层依托的基体，使得复合锂带具有相对较大的抗张强度，有利于收放卷操作，便于工业化应用。但是目前市场上并没有一种简单有效、锂层厚度小且各点厚度误差小的复合锂带生产装置，若锂层厚度不均匀或者锂层厚度太大都不能满足复合锂带的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单有效、锂层厚度小且各点厚度误差小的复合锂带生产装置；本发明的目的还在于提供一种复合锂带生产方法。
为实现上述目的，本发明的复合锂带生产装置采用如下的技术方案：
技术方案1：复合锂带生产装置包括分别用于对带状锂源、固体电解质和复合锂带基体进行收卷和放卷的锂源收放卷机构、电解质收放卷机构以及复合锂带收放卷机构，还包括设置在放卷机构与收卷机构之间的用于将带状锂源、固体电解质和复合锂带基体贴合的贴合辊，贴合时，带状固体电解质位于带状锂源和带状复合锂带基体之间，复合锂带生产装置还包括与带状锂源电连接的正极供电件以及与复合锂带基体电连接的负极供电件。本发明提供一种复合锂带生产的新技术，通过电化学的方法实现在复合锂带基体上电镀锂层，不仅工序简单高效而且电镀出的锂层的厚度均匀且极薄，可满足复合锂带对厚度的严格要求。
技术方案2：在技术方案1的基础上，所述贴合辊有两套，分别位于三个放卷机构传动路径的下游和三个收卷机构传动路径的上游，两套贴合辊之间设有多根过渡辊，一部分过渡辊与电源正极相连构成所述正极供电件、另一部分与电源负极相连构成所述负极供电件。带状锂源、带状固体电解质和带状复合锂带基体在贴合辊和过渡辊上实现贴合，由于过渡辊与电源相连，当各带状物料在贴合辊和过渡辊上贴合时，电解回路形成。
技术方案3：在技术方案2的基础上，所述过渡辊能够自转。
技术方案4：在技术方案2或3的基础上，过渡辊有两排，一排上的每个过渡辊与另一排上的每个过渡辊在过渡辊排的长度方向上错开布置。即节省空间又保证带材在过渡辊之间卷绕时的包角足够大。
技术方案5：在技术方案4的基础上，两排过渡辊中的一排过渡辊的直径大于另一排的过渡辊的直径。可增大带材在过渡辊上的包覆角。
技术方案6：在技术方案4的基础上，两排过渡辊的数量相等或相差一个。
技术方案7：在技术方案1-3任意一项的基础上，锂源收放卷机构、电解质收放卷机构和极片收放卷机构均包括：用于收放卷的收卷轴和放卷轴、用于导向的导辊和用于张紧的浮辊。
本发明的复合锂带生产方法采用如下的技术方案：
技术方案1：复合锂带生产方法包括以下步骤：第一步，将带状锂源、固体电解质和复合锂带基体贴合，贴合时使带状固体电解质位于带状锂源和带状复合锂带基体之间；第二步，分别将带状锂源与电源正极电连接、将复合锂带基体与电源负极电连接；第三步，接通电源，依靠正、负极之间的电化学反应，使锂源的锂离子穿过固体电解质向复合锂带基体移动、在复合锂带基体上得电子还原，生产金属锂，从而形成复合锂带。本发明提供一种复合锂带生产的新技术，通过电解的方法实现在复合锂带基体上电镀锂层，不仅工序简单高效而且电镀出的锂层的厚度均匀且极薄，可满足复合锂带对厚度的严格要求。
技术方案2：在技术方案1的基础上，在第一步之前分别对带状锂源、固体电解质和复合锂带基体进行放卷操作。
技术方案3：在技术方案1或2的基础上，在第三步之后分别对带状锂源、固体电解质和复合锂带进行收卷操作。
技术方案4：在技术方案1或2的基础上，在第二步中，带状锂源通过与正极供电件接触而实现与电源正极的电连接，带状复合锂带基体通过与负极供电件接触而实现与电源负极的电连接，将正极供电件和负极供电件布置为两排，使第一排的正极供电件与第二排的负极供电件在排的长度方向上错开布置，且正、负极供电件在正极供电件排所在平面上的投影重叠以便增大带状锂源、固体电解质和复合锂带基体在正、负极供电件上的包覆角。
技术方案5：在技术方案1或2的基础上，在第一步中，通过将带状锂源、固体电解质和复合锂带基体同时叠绕在贴合辊和供电件上实现三者的贴合。
附图说明
图1为本发明的复合锂带生产装置的实施例1的结构示意图；
图2为图1中电源与三层带状物料的连接示意图；
图3为图2的原理图；
图4为实施例6中的带状锂源的结构示意图；
图中：1-带状锂源，2-固体电解质，3-复合锂带基体，4-放卷轴，5-导辊，6-浮辊，7-贴合辊，8-正极导电辊，9-负极导电辊，10-收卷轴，11-直流恒流源，20-锂覆层，21-铜基体，A-放卷，B-电解，C-收卷。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的复合锂带生产装置的实施例1：如图1所示，本申请提供的一种复合锂带生产装置，除控制系统外，还包括放卷机构、电解机构和收卷机构。控制系统总体控制装置运行。放卷机构和收卷机构用于放置并以恰当的张力牵引带状锂源1、固体电解质2和复合锂带基体3。放卷机构包括带状锂源放卷机构、固体电解质放卷机构以及复合锂带基体放卷机构等三套机构，放卷机构至少是由放卷轴4、导辊5、浮辊6等部件构成；收卷机构包括带状锂源收卷机构、固体电解质收卷机构、复合锂带收卷机构等三套机构，收卷机构至少是由导辊5、浮辊6、收卷轴10等部件构成。电解机构由正极导电辊8、负极导电辊9、直流恒流电源11及电解回路等构成，其中正极导电辊8与直流恒流源的正极相连，负极导电辊9与直流恒流源的负极相连。
带状锂源1、固体电解质2、复合锂带基体3经过各自的放卷机构汇集于贴合辊7，然后依次通过第一个负极导电辊9、第一个正极导电辊8、第二个负极导电辊9……第n个正极导电辊8、第m个负极导电辊9，然后出电解区，进入收卷机构各自收卷。
通过恰当的放卷和穿带方式，当在负极导电辊9表面缠绕时，复合锂带基体3在最内层、与负极导电辊9直接接触，往外依次是固体电解质2、带状锂源1；当在正极导电辊8表面缠绕时，带状锂源1在最内层、与正极导电辊8直接接触，往外依次是固体电解质2、复合锂带基体3。
在恰当的收放卷张力下，带状锂源1、固体电解质2、复合锂带基体3可以紧密的贴合在正极导电辊8和负极导电辊9的表面。当带状锂源1、固体电解质2、复合锂带基体3在正极导电辊8和负极导电辊9表面紧密贴合时，带状锂源1与复合锂带基体3之间同时具备电子通道和锂离子通道，在此条件下接通电解回路，在电场作用下，电子从带状锂源1通过外电路流向复合锂带基体3，锂离子从带状锂源1脱出，穿过固体电解质2，在复合锂带基体3上得电子还原、生成金属锂，从而制得复合锂带。
设置n(n是正整数)个正极导电辊8、m(m是正整数)个负极导电辊9，优选的，m＝n+1、n或n-1，正极导电辊8与直流恒流源11的正极连接，负极导电辊9和直流恒流源11的负极连接。正极导电辊8和负极导电辊9是导电的辊状物，常温下其电子电阻率小于10-3Ω·m。正极导电辊8的辊径与负极导电辊9的辊径可以相同，也可以不相同。正极导电辊8和负极导电辊9可以自转，以利于带状锂源1、固体电解质2、复合锂带基体3收放卷。设置可以传输锂离子的固体电解质2以分隔(或连接)带状锂源1与复合锂带基体3，所述固体电解质2常温下的电导率大于10-7S/cm，优选的，固体电解质2的电导率大于10-4S/cm。带状锂源1是金属锂带、复合锂带或者是锂离子电池正极。锂源1、固体电解质2、复合锂带基体3都是带状物，都可以进行收放卷操作。复合锂带基体3是铜箔或其他材料。
本实施例中：(1)设置138个负极导电辊9和137个正极导电辊8，每个负极导电辊9直径为100mm、相邻两个负极导电辊9轴心间距200mm；每个正极导电辊8直径为150mm，正极导电辊8轴心到与其相邻的两个负极导电辊9轴心连线的距离为175mm。通过这种设置，整个电解区内有效电解长度约为60m；
(2)复合锂带基体3是宽84mm、厚0.010mm的铜箔；
(3)固体电解质膜选用Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3材质的LISICON型无机固体电解质2、锂离子电导率为1.12×10-3S/cm、厚度为0.030mm、宽度为110mm；
(4)带状锂源1为宽100mm、厚0.150mm的金属锂带；
(5)直流恒流源设定电流值1500A，带状锂源1、固体电解质2和复合锂带基体3的走带速度均为10m/min。
实施例2：与实施例1的不同之处在于，直流恒流源设定电流值1500A，带状锂源、固体电解质和复合锂带基体的走带速度均为20m/min。
实施例3：与实施例1的不同之处在于，直流恒流源设定电流值1500A，带状锂源、固体电解质和复合锂带基体的走带速度均为30m/min。
实施例4：与实施例1的不同之处在于，直流恒流源设定电流值3000A，带状锂源、固体电解质和复合锂带基体的走带速度均为20m/min。
实施例5：与实施例1的不同之处在于，直流恒流源设定电流值4500A，带状锂源、固体电解质和复合锂带基体的走带速度均为30m/min。
实施例6：与实施例1的不同之处在于，带状锂源为宽100mm、总厚0.150mm的复合锂带，复合锂带是以0.010mm厚的铜箔为基体，即铜基体21，铜箔上附着一层0.140mm厚的锂层，即锂覆层20，其结构如图4所示。
实施例7：与实施例1的不同之处在于，带状锂源为宽100mm、单面涂布量为17mg/cm2钴酸锂正极。
实施例8：与实施例1的不同之处在于，带状锂源为宽100mm、单面涂布量为15mg/cm2锰酸锂正极。
实施例9：与实施例1的不同之处在于，带状锂源为宽100mm、单面涂布量为15mg/cm2磷酸铁锂正极。
实施例10：与实施例1的不同之处在于，带状锂源为宽100mm、单面涂布量为17mg/cm2锂镍钴锰氧化物(三元)正极。
实施例11：与实施例1的不同之处在于，固体电解质膜选用宽度110mm、厚度50μm、30℃时离子电导率为7.5×10-4S/cm的改性PEO基聚合物固体电解质。
实施例12：与实施例1的不同之处在于，设置70个负极导电辊9和69个正极导电辊8，每个负极导电辊直径为100mm、相邻两个负极导电辊9轴心间距200mm；每个正极导电辊8直径为150mm，正极导电辊8轴心到与其相邻的两个负极导电辊9轴心连线的距离为175mm。通过这种设置，整个电解区内有效电解长度约为30m。直流恒流源11设定电流值750A，带状锂源1、固体电解质2和复合锂带基体3走带速度均为5m/min。
对于各实施例获得的复合锂带，每隔1米取一个样，共取50个样，测量各实施例获得的复合锂带的取样质量和厚度，并统计样本取样质量和厚度的偏差。对比例是作为复合锂带基体的铜箔(厚度0.010mm、宽度84mm)。统计结果如下：
注：1)各实施例的取样质量和取样厚度均是50个取样的平均值；2)锂层面密度＝(取样质量-铜箔基体质量)÷取样面积；3)取样质量偏差和厚度偏差是50个取样的观察值与其均值的最大偏差。
实验结果表明，该装置能够有效的在铜箔上实施镀锂，并且通过调节电流大小、走带速度能定量控制镀锂量。
复合锂带生产方法的实施例如下：整体包括以下步骤：第一步，将带状锂源、固体电解质、复合锂带基体组成一个敞开式的全固态电解池；第二步，对该全固态电解池控制电流电解。
具体步骤为：首先将带状锂源、固体电解质和复合锂带基体分别套在各自对应的放卷轴上，同时对三者进行放卷操作，三者经过导辊、浮辊以后同时叠绕在贴合辊上实现三者的贴合，然后进入电解机构进行电解操作，电解时带状锂源通过与正极导电辊接触而实现与电源正极的电连接，带状复合锂带基体通过与负极导电辊接触而实现与电源负极的电连接，然后接通电源，依靠正、负极之间的电化学反应，使锂源的锂离子穿过固体电解质向复合锂带基体表面移动、在复合锂带基体上得电子还原，生产金属锂，从而实现持续电镀锂，然后经过收卷机构对带状锂源、固体电解质及已经电镀过锂层的复合锂带进行收卷操作，通过三者对应的收卷轴同时将三者收卷。
Claims (10)
1.复合锂带生产装置，其特征是，包括分别用于对带状锂源、固体电解质和复合锂带基体进行收卷和放卷的锂源收放卷机构、电解质收放卷机构以及复合锂带收放卷机构，还包括设置在放卷机构与收卷机构之间的用于将带状锂源、固体电解质和复合锂带基体贴合的贴合辊，贴合时，带状固体电解质位于带状锂源和带状复合锂带基体之间，补锂装置还包括用于与带状锂源电连接的正极供电件以及与复合锂带基体电连接的负极供电件。
2.根据权利要求1所述的复合锂带生产装置，其特征是，所述贴合辊有两套，分别位于三个放卷机构传动路径的下游和三个收卷机构传动路径的上游，两套贴合辊之间设有多根过渡辊，一部分过渡辊与电源正极相连构成所述正极供电件、另一部分过渡辊与电源负极相连构成所述负极供电件。
3.根据权利要求2所述的复合锂带生产装置，其特征是，所述过渡辊能够自转。
4.根据权利要求2或3所述的复合锂带生产装置，其特征是，过渡辊有两排，一排上的每个过渡辊与另一排上的每个过渡辊在过渡辊排的长度方向上错开布置。
5.根据权利要求4所述的复合锂带生产装置，其特征是，两排过渡辊中的一排过渡辊的直径大于另一排过渡辊的直径。
6.根据权利要求4所述的复合锂带生产装置，其特征是，两排过渡辊的数量相等或相差一个。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的复合锂带生产装置，其特征是，锂源收放卷机构、电解质收放卷机构和复合锂带收放卷机构均包括：用于收放卷的收卷轴和放卷轴、用于导向的导辊和用于张紧的浮辊。
8.复合锂带生产方法，其特征是，包括以下步骤：第一步，将带状锂源、固体电解质和复合锂带基体贴合，贴合时使带状固体电解质位于带状锂源和带状复合锂带基体之间；第二步，分别将带状锂源与电源正极电连接、将复合锂带基体与电源负极电连接；第三步，接通电源，依靠正、负极之间的电化学反应，使锂源的锂离子穿过固体电解质向复合锂带基体移动、在复合锂带基体上得电子还原、生产金属锂，从而制得复合锂带。
9.根据权利要求8所述的复合锂带生产方法，其特征是，在第一步之前分别对带状锂源、固体电解质和复合锂带基体进行放卷操作。
10.根据权利要求8或9所述的复合锂带生产方法，其特征是，在第三步之后分别对带状锂源、固体电解质和复合锂带进行收卷操作。
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