CN109713231B - 一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统及喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统，其包括：送料机构，送料机构包括锂熔池及送料管，送料管的一端伸入至锂熔池内，送料管的另一端连接有送料嘴，送料管上连接有驱动泵；等离子喷枪；传送机构，传送机构包括基带承载轮、锂带收卷轮及设置在基带承载轮和锂带收卷轮之间的喷涂机台；送料嘴靠近并朝向等离子喷枪的喷嘴，等离子喷枪的喷嘴朝向喷涂机台。待喷涂基带在锂带收卷轮的牵动下离开基带承载轮并朝向锂带收卷轮移动，当待喷涂基带经过喷涂机台时，等离子喷枪喷出的等离子高温火焰将自送料嘴流出的锂液喷涂至待喷涂基带上以形成复合锂带。本发明其操作方便，易于产业化，并降低了复合锂带的生产成本。
Description
技术领域
本发明锂电池制造领域，具体涉及一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统及喷涂方法
背景技术
电动汽车的快速发展，对锂电能量密度提出了新的更高的要求。金属锂具有很高的比能量密度(3860mAh/g)，是未来高能量电池负极材料的最佳选择，为此，制备复合金属锂带(尤其是超薄复合金属锂带)成为当前的研究热点。
目前，国内外制备复合金属锂带的方法主要包括：(1)采用机械辊压复合的方法制备复合锂带。这类方式需要原始锂带；在生产过程中极易发生拉伸变形甚至断裂，难以制备厚度低于50μm以下的超薄锂带；机械精度要求高，设备投入大成本高。当前该方面的研究不少，但很难取得实时性进展，难以批量生产；(2)用湿法补锂把锂粉溶于有机溶剂中，采用喷洒/滴加溶液的方式补锂。此方法工序复杂；对锂粉依赖度高，锂粉制备成本高；干燥过程有大量有机溶剂挥发。
发明内容
针对现有技术复合锂带制备中存在的问题，本发明提供一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统及喷涂方法，本发明基于等离子喷涂实现复合锂带的制备，其工序简单，操作方便，易于产业化，且无需原始锂带、锂粉等特殊金属锂原料，从而进一步降低了生产成本。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
送料机构，所述送料机构包括锂熔池及送料管，所述送料管的一端伸入至所述锂熔池内，所述送料管的另一端连接有送料嘴，所述送料管上连接有驱动泵，所述驱动泵驱动所述锂熔池内的锂液沿所述送料管流动并最终经所述送料嘴流出；
等离子喷枪，所述等离子喷枪用于产生等离子高温火焰，使锂液雾化成微米级的、粒度均匀的熔融颗粒，并在高温射流的加速下高速撞击到基底上，形成致密均匀的金属锂涂层；
传送机构，所述传送机构包括承载待喷涂基带的基带承载轮、收卷喷涂后的复合锂带的锂带收卷轮及设置在所述基带承载轮和所述锂带收卷轮之间的喷涂机台；
所述送料嘴靠近并朝向所述等离子喷枪的喷嘴，所述等离子喷枪的喷嘴朝向所述喷涂机台，待喷涂基带在所述锂带收卷轮的牵动下离开所述基带承载轮并朝向所述锂带收卷轮移动，当所述待喷涂基带经过所述喷涂机台时，所述等离子喷枪喷出的等离子高温火焰将自所述送料嘴流出的锂液喷涂至所述待喷涂基带上以形成所述复合锂带。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统的一个具体实施例，所述传送机构还包括有设置在所述基带承载轮和所述喷涂机台之间的加热机台，所述加热机台用于实现对待喷涂基带的预热。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统的一个具体实施例，所述传送机构还包括设置在所述喷涂机台和所述锂带收卷轮之间的压平轮组，所述压平轮组包括成对设置的第一压平轮和第二压平轮，所述第一压平轮和所述第二压平轮之间形成有压平间隙，所述压平间隙的尺寸与喷涂后的复合锂带的厚度相匹配，所述压平轮组用于实现对复合锂带的压平。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统的一个具体实施例，所述驱动泵为精密螺杆泵，所述送料管为恒温加热套管。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统的一个具体实施例，所述喷涂机台与所述压平轮组之间设有转向轮。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统的一个具体实施例，所述送料管的送料速度为0.2～2g/min，自所述送料嘴流出的锂液的温度为200～400℃，经过所述喷涂机台的所述待喷涂基带的温度为50～180℃。所述等离子喷枪为惰性气体低压等离子喷枪，所述等离子喷枪的功率为6～20kW，电流为250～500A，所述等离子喷枪的气源为氩气和氦气，其中:氩气流量为25-100L/min,氦气流量为5-10L/min。
一种制备复合锂带的等离子体喷涂方法，其特征在于：其采用等离子喷枪将锂液雾化成微米级的粒度均匀的熔融颗粒并喷涂至待喷涂基带上，得到复合锂带。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂方法的一个具体实施例，锂液被位于等离子喷枪外侧的送料管输送至等离子喷枪的喷嘴处，所述等离子喷枪的喷嘴喷出等离子高温火焰以将锂液雾化成微米级的粒度均匀的熔融颗粒。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂方法的一个具体实施例，所述送料管的送料速度为0.2～2g/min，所述锂液的温度为200～400℃，所述待喷涂基带的温度为50～180℃，所述待喷涂基带的材质为铜、镍或不锈钢。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂方法的一个具体实施例，所述等离子喷枪为惰性气体低压等离子喷枪，其气源为氩气和氦气，其中:氩气流量为25～100L/min,氦气流量为5～10L/min。
作为本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂方法的一个具体实施例，所喷涂过程在惰性气体气氛内进行。
本发明基于等离子喷涂实现复合锂带的制备，其工序简单，操作方便，易于产业化，且无需原始锂带、锂粉等特殊金属锂原料，从而进一步降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明提出的制备复合锂带的等离子体喷涂系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
下面结合具体原理及过程对本发明所述一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统及喷涂方法进行详细说明：
一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统，如图1所示，所述喷涂系统包括送料机构、等离子喷枪4及传送机构。
所述送料机构包括锂熔池1及送料管3，所述送料管3的一端伸入至所述锂熔池1内，所述送料管3的另一端连接有送料嘴，所述送料管3上连接有驱动泵2，所述驱动泵2驱动所述锂熔池1内的锂液沿所述送料管3流动并最终经所述送料嘴流出。
所述等离子喷枪4用于产生等离子高温火焰，从而将送料嘴流出的锂液雾化成微米级的、粒度均匀的熔融颗粒，熔融颗粒在高温射流的加速下高速撞击到基底上，形成致密均匀的金属锂涂层。
所述传送机构包括承载待喷涂基带的基带承载轮5、收卷喷涂后的复合锂带的锂带收卷轮10及设置在所述基带承载轮5和所述锂带收卷轮10之间的喷涂机台7。
所述送料嘴靠近并朝向所述等离子喷枪的喷嘴，所述等离子喷枪的喷嘴朝向所述喷涂机台7，待喷涂基带在所述锂带收卷轮10的牵动下离开所述基带承载轮5并朝向所述锂带收卷轮10移动。
当所述待喷涂基带经过所述喷涂机台7时，所述等离子喷枪喷出的等离子高温火焰将自所述送料嘴流出的锂液雾化成微米级的、粒度均匀的熔融颗粒，熔融颗粒在高温射流的加速下高速撞击到基底上，从而形成致密均匀的金属锂涂层。
在一些具体实施例中，所述传送机构还包括有设置在所述基带承载轮5和所述喷涂机台7之间的加热机台6，所述加热机台6用于实现对待喷涂基带的预热。根据所述待喷涂基带的具体材质，所述加热机台6将待喷涂基带预热至50～180℃。
在一些具体实施例中，所述传送机构还包括设置在所述喷涂机台7和所述锂带收卷轮10之间的压平轮组9，所述压平轮组9包括第一压平轮和第二压平轮，所述第一压平轮和所述第二压平轮之间形成有压平间隙，所述压平间隙的尺寸与喷涂后的复合锂带的厚度相匹配。所述压平轮组9用于实现对复合锂带的压平。
在一些具体实施例中，所述喷涂机台7与所述压平轮组9之间设有转向轮8。所述转向轮8能改变复合锂带的传送方向，从而减少所述传送机构所占据的安装空间。
为了保证锂液的稳定输送，此处所述的稳定包括送料量的稳定性及温度的稳定性。在一些具体实施例中，所述送料嘴采用微米级针孔送料嘴，所述驱动泵2为精密螺杆泵，经所述精密螺杆泵的精密控制，所述送料管3的稳定送料速度实现0.2～2g/min范围内的精密调节，从而保证所述送料嘴能够以0.2～2g/min的流速稳定喷出细线状的锂液流。所述送料管3采用带恒温油加热套管的不锈钢微管，喷涂过程中，从所述送料管3的喷嘴流出的锂液的温度能够实现200～400℃范围内的精密控制，温度控制误差小于5℃。
此外，为了实现送料位置和送料角度的灵活调整，在一些具体实施例中，所述送料嘴与所述送料管柔性连接，如所述送料嘴与所述送料管之间经一段可弯折的柔性管连接。
为了将送料嘴喷出的锂液流雾化成微米级的、粒度均匀的熔融颗粒。在一些具体实施例中，所述等离子喷枪为小功率的惰性气体低压等离子喷枪，所述等离子喷枪的功率为6～20kW，电流为250～500A，所述等离子喷枪的气源为氩气和氦气，其中:氩气流量为25-100L/min,氦气流量为5-10L/min。
金属锂熔点低、沸点低、表面张力大，因此采用功率为6～20kW的低功率的等离子喷枪进行喷涂。由于锂液的活性大，因此采用惰性气体氩气和氦气作为等离子喷枪的气源，以保证锂液的成分稳定性。
在一些具体实施例中，喷涂过程在充满惰性气体的气氛中实施。所述惰性气体为氩气。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种制备复合锂带的等离子体喷涂方法，其采用等离子喷枪将锂液雾化成微米级的粒度均匀的熔融颗粒并喷涂至待喷涂基带上，得到复合锂带。
在一些具体实施例中，锂液被位于等离子喷枪外侧的送料管输稳定地送至等离子喷枪的喷嘴处，所述等离子喷枪的喷嘴喷出的等离子高温火焰将锂液雾化成微米级的、粒度均匀的熔融颗粒。
在一些具体实施例中，所述送料管的稳定送料速度为0.2～2g/min，所述锂液的温度为200～400℃，所述待喷涂基带的温度为50～180℃，所述待喷涂基带的材质为铜、镍、不锈钢中的一种。
在一些具体实施例中，所述等离子喷枪为小功率惰性气体低压等离子喷枪，所述等离子喷枪的功率为6～20kW，电流为250～500A，所述等离子喷枪的气源为氩气和氦气，其中:氩气流量为25-100L/min,氦气流量为5-10L/min。喷涂过程中，等离子喷枪的喷嘴与待喷涂基带的距离(喷涂距离)为80～300mm。
下面通过具体实施例对本发明一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统及喷涂方法进行进一步解释说明。
示例1
将等离子体喷涂系统置于密闭的氩气手套箱内，将厚30μm、宽50mm的铜质基带安装于基带承载轮5上并将基带的自由端依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8、压平轮组9后固定至锂带收卷轮10上。将电池级金属锂锭置入锂熔池1内熔化，并将锂液的温度调节至300℃。调节精密螺杆泵的驱动功率保证送料管3的稳定送料速度为1g/min。将等离子喷枪4的喷涂参数设置为：功率18kW，电流400A，氩气流量30L/min，氦气流量为10L/min，喷涂间距为120mm。调节加热机台6的加热功率及锂带收卷轮10的收卷速度以保证加热机台6能够将经过其上的基带预热至100℃。
启动锂带收卷轮10，锂带收卷轮10转动并牵拉基带朝向收卷轮10行进，行进过程中基带依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8及压平轮组9。同时，开启精密螺杆泵和等离子喷枪4，等离子喷枪4喷出的等离子高温火焰将自送料嘴流出的锂液喷涂至位于喷涂机台7上的铜质基带上，从而获得金属锂铜复合带。
喷涂20min后，获得长为5m的金属锂铜复合带，经检测，金属锂铜复合带的厚度约为50μm，锂膜层厚度约为20μm，厚度公差<2％，锂膜层孔隙率<2％，锂膜层与铜质基带的结合强度为12MPa。
示例2
将等离子体喷涂系统置于密闭的氩气手套箱内，将厚30μm、宽50mm的铜质基带安装于基带承载轮5上并将基带的自由端依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8、压平轮组9后固定至锂带收卷轮10上。将电池级金属锂锭置入锂熔池1内熔化，并将锂液的温度调节至400℃。调节精密螺杆泵的驱动功率保证送料管的稳定送料速度为0.2g/min。将等离子喷枪4的喷涂参数设置为：功率15kW，电流350A，氩气流量25L/min，氦气流量为10L/min，喷涂间距为80mm。调节加热机台6的加热功率及锂带收卷轮10的收卷速度以保证加热机台6能够将经过其上的基带预热至160℃。
启动锂带收卷轮10，锂带收卷轮10转动并牵拉基带朝向收卷轮10行进，行进过程中基带依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8及压平轮组9。同时，开启精密螺杆泵和等离子喷枪4，等离子喷枪4喷出的等离子高温火焰将自送料嘴流出的锂液喷涂至位于喷涂机台7上的铜质基带上，从而获得金属锂铜复合带。
喷涂20min后，获得长为10m的金属锂铜复合带，经检测，金属锂铜复合带的厚度约为12μm，锂膜层厚度约为6μm，厚度公差<10％，锂膜层孔隙率<2％，锂膜层与铜质基带的结合强度为15MPa。
示例3
将等离子体喷涂系统置于密闭的氩气手套箱内，将厚50μm、宽80mm的铜质基带安装于基带承载轮5上并将基带的自由端依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8、压平轮组9后固定至锂带收卷轮10上。将电池级金属锂锭置入锂熔池1内熔化，并将锂液的温度调节至350℃。调节精密螺杆泵的驱动功率保证送料管的稳定送料速度为2g/min。将等离子喷枪4的喷涂参数设置为：功率20kW，电流500A，氩气流量35L/min，氦气流量为10L/min，喷涂间距为200mm。调节加热机台6的加热功率及锂带收卷轮10的收卷速度以保证加热机台6能够将经过其上的基带预热至130℃。
启动锂带收卷轮10，锂带收卷轮10转动并牵拉基带朝向锂带收卷轮10行进，行进过程中基带依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8及压平轮组9。同时，开启精密螺杆泵和等离子喷枪4，等离子喷枪4喷出的等离子高温火焰将自送料嘴流出的锂液喷涂至位于喷涂机台7上的铜质基带上，从而获得金属锂铜复合带。
喷涂20min后，获得长为2.5m的金属锂铜复合带，经检测，金属锂铜复合带的厚度约为100μm，锂膜层厚度约为50μm，厚度公差<1％，锂膜层孔隙率<5％，锂膜层与铜质基带的结合强度为10MPa。
示例4
将等离子体喷涂系统置于密闭的氩气手套箱内，将厚30μm、宽50mm的不锈钢基带安装于基带承载轮5上并将基带的自由端依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8、压平轮组9后固定至锂带收卷轮10上。将电池级金属锂锭置入所述锂熔池1内熔化，并将锂液的温度调节至200℃。调节精密螺杆泵的驱动功率保证送料管的稳定送料速度为1g/min。将等离子喷枪4的喷涂参数设置为：功率20kW，电流500A，氩气流量35L/min，氦气流量为10L/min，喷涂间距为200mm。调节加热机台6的加热功率及锂带收卷轮10的收卷速度以保证加热机台6能够将经过其上的基带预热至180℃。
启动锂带收卷轮10，锂带收卷轮10转动并牵拉基带朝向锂带收卷轮10行进，行进过程中基带依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8及压平轮组9。同时，开启精密螺杆泵和等离子喷枪4，等离子喷枪4喷出的等离子高温火焰将自送料嘴流出的锂液喷涂至位于喷涂机台7上的不锈钢基带上，从而获得金属锂不锈钢复合带。
喷涂20min后，获得长为2.5m的金属锂不锈钢复合带，经检测，金属锂不锈钢复合带的厚度约为50μm，锂膜层厚度约为20μm，厚度公差<3％，锂膜层孔隙率<5％，锂膜层与不锈钢基带的结合强度为8MPa。
示例5
将等离子体喷涂系统至于密闭的氩气手套箱内，将厚80μm、宽80mm的镍基带安装于基带承载轮5上并将基带的自由端依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8、压平轮组9后固定至锂带收卷轮10上。将电池级金属锂锭置入锂熔池1内熔化，并将锂液的温度调节至400℃。调节精密螺杆泵的驱动功率保证送料管的稳定送料速度为0.2g/min。将等离子喷枪4的喷涂参数设置为：功率20kW，电流500A，氩气流量35L/min，氦气流量为10L/min，喷涂间距为100mm。调节加热机台6的加热功率及锂带收卷轮10的收卷速度以保证加热机台6能够将经过其上的基带预热至100℃。
启动锂带收卷轮10，锂带收卷轮10转动并牵拉基带朝向锂带收卷轮10行进，行进过程中基带依次经过加热机台6、喷涂机台7、转向轮8及压平轮组9。同时，开启精密螺杆泵和等离子喷枪4，等离子喷枪4喷出的等离子高温火焰将自送料嘴流出的锂液喷涂至位于喷涂机台7上的镍基带上，从而获得金属锂镍复合带。
喷涂20min后，获得长为2.5m的金属锂镍复合带，经检测，金属锂镍复合带的厚度约为50μm，锂膜层厚度约为20μm，厚度公差<5％，锂膜层孔隙率<5％，锂膜层与镍基带的结合强度为8MPa。
上文对本发明进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所述领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本发明的保护范围。本发明所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。
Claims (5)
1.一种制备复合锂带的等离子体喷涂系统，其特征在于，其包括：
送料机构，所述送料机构包括锂熔池及送料管，所述送料管的一端伸入至所述锂熔池内，所述送料管的另一端连接有送料嘴，所述送料管上连接有驱动泵，所述驱动泵驱动所述锂熔池内的锂液沿所述送料管流动并最终经所述送料嘴流出；
等离子喷枪，所述等离子喷枪用于产生等离子高温火焰，使锂液雾化成微米级的、粒度均匀的熔融颗粒，并在高温射流的加速下高速撞击到基底上，形成致密均匀的金属锂涂层；
传送机构，所述传送机构包括承载待喷涂基带的基带承载轮、收卷喷涂后的复合锂带的锂带收卷轮及设置在所述基带承载轮和所述锂带收卷轮之间的喷涂机台；
所述送料嘴靠近并朝向所述等离子喷枪的喷嘴，所述等离子喷枪的喷嘴朝向所述喷涂机台，待喷涂基带在所述锂带收卷轮的牵动下离开所述基带承载轮并朝向所述锂带收卷轮移动，当所述待喷涂基带经过所述喷涂机台时，所述等离子喷枪喷出的等离子高温火焰将自所述送料嘴流出的锂液喷涂至所述待喷涂基带上以形成所述复合锂带；
所述传送机构还包括有设置在所述基带承载轮和所述喷涂机台之间的加热机台，所述加热机台用于实现对待喷涂基带的预热；
所述传送机构还包括设置在所述喷涂机台和所述锂带收卷轮之间的压平轮组，所述压平轮组包括成对设置的第一压平轮和第二压平轮，所述第一压平轮和所述第二压平轮之间形成有压平间隙，所述压平间隙的尺寸与喷涂后的复合锂带的厚度相匹配，所述压平轮组用于实现对复合锂带的压平；
所述送料管的送料速度为0.2～2g/min，自所述送料嘴流出的锂液的温度为200～400℃，经过所述喷涂机台的所述待喷涂基带的温度为50～180℃；
所述等离子喷枪为惰性气体低压等离子喷枪，所述等离子喷枪的功率为6～20kW，电流为250～500A，所述等离子喷枪的气源为氩气和氦气，其中:氩气流量为25-100L/min，氦气流量为5-10L/min。
2.如权利要求1所述的等离子体喷涂系统，其特征在于，所述驱动泵为精密螺杆泵，所述送料管为恒温加热套管。
3.如权利要求1所述的等离子体喷涂系统，其特征在于，所述喷涂机台与所述压平轮组之间设有转向轮。
4.一种制备复合锂带的等离子体喷涂方法，其特征在于：其采用等离子喷枪将锂液雾化成微米级的粒度均匀的熔融颗粒并喷涂至待喷涂基带上，得到复合锂带；
锂液被位于等离子喷枪外侧的送料管输送至等离子喷枪的喷嘴处，所述等离子喷枪的喷嘴喷出等离子高温火焰以将锂液雾化成微米级的粒度均匀的熔融颗粒；
所述送料管的送料速度为0.2～2g/min，所述锂液的温度为200～400℃，所述待喷涂基带的温度为50～180℃，所述待喷涂基带的材质为铜、镍或不锈钢；
所述等离子喷枪为惰性气体低压等离子喷枪，所述等离子喷枪的功率为6～20kW，电流为250～500A，所述等离子喷枪的气源为氩气和氦气，其中:氩气流量为25-100L/min，氦气流量为5-10L/min。
5.如权利要求4所述的等离子体喷涂方法，其特征在于：喷涂过程在惰性气体气氛内进行。
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