CN109687043B - 一种电极旋转的防枝晶电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电极旋转的防枝晶电池装置，涉及电池测试领域。用一个变频电机通过传动皮带带动转轴转动，同时带动正负电极转动，正极顺时针转动，负极逆时针转动，带动了电解液流动，使电解液中各处锂离子的浓度均匀化，减小浓差极化，防止充电过程中在负极产生锂枝晶；两个筒的转速相同且方向相反，形成对流，减小电解液的流速，消弱了电解液因电极筒转动而产生的湍流问题。正负极的转速可以根据充放电速率大小调节，充电电流大，转速快；反之，充电电流小，转速慢。该电池装置可以有效预防锂枝晶的产生，提高了锂电池的性能，结构简便安装维护方便快捷。

Description

一种电极旋转的防枝晶电池装置

技术领域

本发明涉及化学电池技术领域，特别是涉及一种电极旋转的防枝晶电池装置。

背景技术

对于负极为金属锂片的锂电池，金属锂片开始时表面很平滑，经过多次充放电之后，表面会形成的树枝状金属锂，称为枝晶。对锂电池进行充电时，电解液中的锂离子从电池正极向电池负极转移，在这个过程中，由于充电电流大小的变化，锂离子在电解液中具有浓度梯度，转移到负极表面附近的锂离子浓度不均匀，锂离子在电池负极表面得到电子还原成金属锂时，由于浓差极化，导致还原得到的金属锂分布不均匀，故而形成了锂枝晶。锂枝晶的生长会导致锂电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏生成的固体电解质界面膜，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂造成低库伦效率。锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。因此，开发有效的方法和技术来抑制锂枝晶的生长是锂电池实用化的关键。

现有的抑制负极锂枝晶的技术，如专利(CN 108574083 A)提供了一种新型结构的锂片，该锂片具有凹陷结构，比如具有凹坑结构和/或凹槽结构，尤其是微纳结构的凹坑和/或凹槽，通过采用该特定结构的锂片作为负极可以有效抑制锂电池中的锂枝晶不可控生长，避免了刺穿电池隔膜的现象，提高了锂电池的性能，然而这种制备方法，不仅工艺繁琐而且成本较高，很难规模化生产。专利(CN 108365172 A)使用天然高分子聚合物保护的锂金属负极，这种天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料包括一铜箔，该铜箔的表面均匀包覆有天然高分子聚合物层，同时具有一金属锂沉积层位于铜箔于天然高分子聚合物层的交界处，沉积量为2～8mAh/cm²，上述天然高分子聚合物包括琼脂糖、罗望种子胶和海藻酸钠，这种方法制备天然高分子聚合物保护的锂金属负极材料具有良好的循环性能，以及无枝晶的金属锂沉积，提高了锂金属的循环寿命在抑制锂枝晶的方面有一定效果，但这种制备技术，对不可控锂枝晶生长的改善程度是很有限的，它们不能大规模的应用于高通量的工业化生产。因此开发更加实用和有效的方法仍是一项挑战。本发明解决了锂离子从电池正极向电池负极转移的过程中，锂离子浓度梯度的问题，从而消除锂枝晶所带来的影响，同时针对上述两种预防枝晶方法的不足之处，特别涉及一种转动电极连续化工作电池测试装置，对传统的电池进行了进一步创新。

发明内容

本发明的目的在于解决充放电过程的枝晶问题，提供一种电极旋转的防枝晶电池装置。通过电动机和齿轮箱的作用，使正极筒和负极筒逆向转动，正极筒逆时针转动，负极筒顺时针转动，既不会使电解液发生湍流，又解决了负极充电过程中产生锂枝晶的问题。此装置提高了锂电池的性能，结构简单，安装简便，为抑制锂枝晶技术提供新的思路与方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种电极旋转的防枝晶电池装置，该电池装置包括旋转外筒(1)、负极材料(2)、旋转内筒(3)、正极材料(4)、外筒绝缘底板(5)、外轴(6)、内轴(7)、密封填料(8)、轴承a(9.1)、轴承b(9.2)、外轴皮带轮(10.1)、内轴皮带轮(10.2)、电机外轴皮带轮(11.1)、电机内轴皮带轮(11.2)、电机轴(12)、改变转向齿轮箱(13)、变频电机(14)、传动皮带(15)、电解液(16)。

旋转外筒(1)与外筒绝缘底板(5)通过承叉方式连接，负极材料(2)与旋转外筒(1)的内壁相连接；旋转内筒(3)与内轴(7)相连接；正极材料(4)与旋转内筒(3)外壁相连接，外轴(6)与外筒绝缘底板(5)相连接，密封填料(8)用于密封外轴(6)与内轴(7)之间空隙；轴承a(9.1)和轴承b(9.2)设于外轴(6)的内壁和内轴(7)的外壁相连接，外轴皮带轮(10.1)与外轴(6)外壁卡槽连接，内轴皮带轮(10.2)与内轴(7)外壁卡槽连接，电机外轴皮带轮(11.1)和电机内轴皮带轮(11.2)与电机轴(12)分别卡槽连接，变频电机(14)带有电机轴(12)，改变转向齿轮箱(13)通过传动皮带(15)改变转动方向；电解液(16)设置在旋转外筒(1)中。

变频电机(14)通过电机轴(12)带动电机外轴皮带轮(11.1)和电机内轴皮带轮(11.2)逆时针转动，电机外轴皮带轮(11.1)带动改变转向齿轮箱(13)转动，经过齿轮箱(13)改变转动方向，使外轴(6)和旋转外筒(1)顺时针转动；电机内轴皮带轮(11.2)通过传动皮带(15)带动内轴(7)和旋转内筒(3)逆时针转动。旋转外筒(1)和旋转内筒(3)逆向转动，既消弱了电解液(16)因电极筒转动而产生的湍流，又能够使负极材料(2)和正极材料(4)与电解液(16)接触表面不断更新，防止出现浓差极化现象，避免产生锂枝晶。

本发明的优点在于：1、旋转外筒和旋转内筒逆向转动，形成对流，使电极与电解液接触面不断更新，防止充放电过程中的正负极枝晶问题；2、旋转外筒和旋转内筒转速相同，方向相反，消弱了电解液因电极筒转动而产生的湍流问题；3、转速可以根据充放电速率大小调节，充电电流大，转速快；反之，充电电流小，转速慢；4、用一个变频电机同时带动旋转外筒和旋转内筒，节省能量；5、结构简单，操作方便，经济效益高，适应于液流电池。

所述旋转外筒(1)和旋转内筒(3)同时转动，防止电解液(16)发生湍流，根据雷诺公式Re＝ρvd/μ，其中Re、v、ρ、μ、d分别为雷诺数、流体的流速、密度、黏性系数与当量直径，雷诺数Re大于4000时会发生湍流，流体的流速v越大越容易发生湍流，外筒(1)和内筒(3)转速控制在10～100r/min，旋转外筒(1)顺时针转动，旋转内筒(3)逆时针转动，两个筒的转速相同且方向相反，带动电解液(16)形成对流、对冲现象，减小电解液(16)的流速，消弱了电解液(16)因电极筒转动而产生的湍流问题。

所述负极材料(2)附着在旋转外筒(1)的内壁上，正极材料(4)附着在旋转内筒(3)的外壁上，旋转外筒(1)和旋转内筒(3)转动带动正负极转动，正负极表面与电解液(16)接触面不断更新，使正负极表面附近的电解液浓度均匀，消除浓差极化，避免充电过程中在负极产生锂枝晶。

所述变频电机(14)带动电机轴(12)逆时针转动，电机轴(12)通过传动皮带(15)带动内轴皮带轮(10.2)逆时针转动，进而带动内轴(7)和旋转内筒(3)逆时针转动；用改变转向齿轮箱(13)改变转动方向，使外轴皮带轮(10.1)顺时针转动，进而带动外轴(6)和旋转外筒(1)顺时针转动。用一个变频电机(14)同时带动旋转外筒(1)和旋转内筒(3)反向转动，节省能量。

所述装置用的传动皮带(15)尺寸相同，改变转向齿轮箱(13)里面的两个转动齿轮尺寸也相同，保证外轴(6)和内轴(7)转速相同，进而保证旋转外筒(1)和旋转内筒(3)反向转动的转速相同，消弱了电解液(16)因电极筒转动而产生的湍流问题。

使用了变频电机(14)，可以根据需要调节旋转外筒(1)和旋转内筒(3)的转速，充电电流大，转速快，正负极材料与电解液(16)的接触表面更新速度快；反之，充电电流小，转速慢，正负极材料与电解液(16)的接触表面更新速度慢。

所述外筒绝缘底板(5)采用绝缘材料，外筒绝缘底板(5)与旋转外筒(1)壁的密封方式有承叉式密封和玻璃胶密封，可以有效地防止电解液(16)泄露。

所述外筒绝缘底板(5)和内轴(7)的密封填料(8)材料包括：聚氯乙烯、聚四氟乙烯、酚醛纤维等。

所述轴承a(9.1)和轴承b(9.2)为双轴承结构，该双轴承结构能够保持外轴(6)和内轴(7)垂直转动。

所述旋转内筒(3)和旋转外筒(1)壁采用非绝缘材料，正极导线直接从旋转内筒(3)顶部中心引出，负极导线从旋转外筒(1)外壁引出。

附图说明

图1为一种电极旋转的防枝晶电池装置结构简图。

图2为外筒和内筒三维示意图。

图3为改变转向齿轮箱的内部齿轮示意图。

图中：1、旋转外筒，2、负极材料，3、旋转内筒，4、正极材料，5、外筒绝缘底板，6、外轴，7、内轴，8、密封填料，9.1、轴承a，9.2、轴承b，10.1、外轴皮带轮，10.2、内轴皮带轮，11.1、电机外轴皮带轮，11.2、电机内轴皮带轮，12、电机轴，13、改变转向齿轮箱，14、变频电机，15、传动皮带，16、电解液。

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晰，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用限定本发明。

结合附图1说明一种电极旋转的防枝晶电池装置的操作流程如下：

S1打开变频电机(14)，电机轴(12)逆时针转动，电机外轴皮带轮(11.1)和电机内轴皮带轮(11.2)也逆时针转动。电机内轴皮带轮(11.2)通过传动皮带(15)带动内轴皮带轮(10.2)逆时针转动，带动内轴(7)和旋转内筒(3)逆时针转动。

S2改变转向齿轮箱(13)内有两个咬合的齿轮，改变转动方向，使外轴皮带轮(10.1)顺时针转动，带动外轴(6)和旋转外筒(1)顺时针转动。改变转向齿轮箱(13)内的齿轮如图3所示。

S3旋转外筒(1)带着负极材料(2)顺时针转动，旋转内筒(3)带着正极材料(4)逆时针转动，两筒反向转动使电解液(16)流动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：该电池装置包括旋转外筒(1)、负极材料(2)、旋转内筒(3)、正极材料(4)、外筒绝缘底板(5)、外轴(6)、内轴(7)、密封填料(8)、轴承a(9.1)、轴承b(9.2)、外轴皮带轮(10.1)、内轴皮带轮(10.2)、电机外轴皮带轮(11.1)、电机内轴皮带轮(11.2)、电机轴(12)、改变转向齿轮箱(13)、变频电机(14)、传动皮带(15)和电解液(16)；

旋转外筒(1)与外筒绝缘底板(5)通过承插方式连接，负极材料(2)与旋转外筒(1)的内壁相连接；旋转内筒(3)与内轴(7)相连接；正极材料(4)与旋转内筒(3)外壁相连接，外轴(6)与外筒绝缘底板(5)相连接，密封填料(8)用于密封外轴(6)与内轴(7)之间空隙；轴承a(9.1)和轴承b(9.2)设于外轴(6)的内壁和内轴(7)的外壁相连接，外轴皮带轮(10.1)与外轴(6)外壁卡槽连接，内轴皮带轮(10.2)与内轴(7)外壁卡槽连接，电机外轴皮带轮(11.1)和电机内轴皮带轮(11.2)与电机轴(12)分别卡槽连接，变频电机(14)带有电机轴(12)，改变转向齿轮箱(13)通过传动皮带(15)改变转动方向；电解液(16)设置在旋转外筒(1)中；

变频电机(14)通过电机轴(12)带动电机外轴皮带轮(11.1)和电机内轴皮带轮(11.2)逆时针转动，电机外轴皮带轮(11.1)带动改变转向齿轮箱(13)转动，经过齿轮箱(13)改变转动方向，使外轴(6)和旋转外筒(1)顺时针转动；电机内轴皮带轮(11.2)通过传动皮带(15)带动内轴(7)和旋转内筒(3)逆时针转动；旋转外筒(1)和旋转内筒(3)逆向转动，既消弱了电解液(16)因电极筒转动而产生的湍流，又能够使负极材料(2)和正极材料(4)与电解液(16)接触表面不断更新，防止出现浓差极化现象，避免产生锂枝晶。

2.根据权利要求1所述的一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：所述旋转外筒(1)和旋转内筒(3)同时转动，防止电解液(16)发生湍流，根据雷诺公式Re＝ρvd/μ，其中Re、v、ρ、μ、d分别为雷诺数、流体的流速、密度、黏性系数与当量直径，雷诺数Re大于4000时会发生湍流，流体的流速v越大越容易发生湍流，外筒(1)和内筒(3)转速控制在10～100r/min，旋转外筒(1)顺时针转动，旋转内筒(3)逆时针转动，两个筒的转速相同且方向相反，带动电解液(16)形成对流、对冲现象，减小电解液(16)的流速，消弱了电解液(16)因电极筒转动而产生的湍流问题。

3.根据权利要求1所述的一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：用的传动皮带(15)尺寸相同，改变转向齿轮箱(13)里面的两个转动齿轮尺寸也相同，保证外轴(6)和内轴(7)转速相同，进而保证旋转外筒(1)和旋转内筒(3)反向转动的转速相同，消弱了电解液(16)因电极筒转动而产生的湍流问题。

4.根据权利要求1所述的一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：使用了变频电机(14)，根据需要调节旋转外筒(1)和旋转内筒(3)的转速，充电电流大，转速快，正负极材料与电解液(16)的接触表面更新速度快；反之，充电电流小，转速慢，正负极材料与电解液(16)的接触表面更新速度慢。

5.根据权利要求1所述的一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：所述外筒绝缘底板(5)采用绝缘材料，外筒绝缘底板(5)与旋转外筒(1)壁的密封方式有承插式密封和玻璃胶密封，有效地防止电解液(16)泄露。

6.根据权利要求1所述的一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：所述外筒绝缘底板(5)和内轴(7)的密封填料(8)材料包括聚氯乙烯、聚四氟乙烯或酚醛纤维。

7.根据权利要求1所述的一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：所述轴承a(9.1)和轴承b(9.2)为双轴承结构，该双轴承结构能够保持外轴(6)和内轴(7)共同沿垂直方向转动。

8.根据权利要求1所述的一种电极旋转的防枝晶电池装置，其特征在于：所述旋转内筒(3)和旋转外筒(1)壁采用非绝缘材料，正极导线直接从旋转内筒(3)顶部中心引出，负极导线从旋转外筒(1)外壁引出。

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