CN109778135A - 一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池负极领域，涉及一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法。采用蒸镀沉积的方法，在负极基材表面沉积金属锂，配合加热、辊压处理将金属锂分散在负极基材中形成预嵌锂的电池负极材料。包括控制系统、前卷扬装置、锂嵌入装置、后卷扬装置、抽气装置、结构承载及密封壳体。本发明解决了锂离子二次电池在首次充放电过程中不可逆的能量损失问题，提高了电池的能量密度，改善电池性能。
Description
技术领域
本发明涉及制备电池负极材料装置及方法，具体的说是一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法。
背景技术
当今，人类的生活已与能源密不可分。但传统化石能源消耗严重，不具有再生性，且存在污染环境问题。而以廉价清洁著称的太阳能、风能等受自然环境影响较大，不具有连续稳定输出。和人类生活息息相关的汽车、数码产品、电动工具都需要能量密度高、倍率性能好、循环寿命长的储能器件。
目前常用的储能器件有超级电容器、一次电池、二次电池，广泛应用于数码电子设备、电动车、电动工具、储备电源储能器件领域。超级电容器具有输出功率大、循环寿命长的优点，但能量密度低；一次电池虽然技术成熟，但电池后期的处理需要消耗大量能源；二次电池可划分为铅酸电池和锂电池两大阵营，铅酸电池能量密度低，体积笨重，且泄露严重污染环境，而锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、使用温度范围广、自放电少及保存特性好等优点，使其在越来越多的领域得到广泛应用。
在二次电池迅速发展的同时，电池的能量密度提升也越来越受到关注，但是其在首次充放电循环过程中，存在一定比例的能量损失，即锂离子电池首次充放电效率。主要原因在于首次充放电循环过程中，存在部分锂离子嵌入负极中不可脱出，消耗掉一部分活性锂离子，导致电池容量不可逆的下降。锂离子电池的首圈效率由正极材料、负极材料半电池的首圈效率共同决定。目前，商业化的钴酸锂、镍钴锰、磷酸铁锂半电池，在首次充放电循环中，都有着首次放电容量小于首次充电容量的现象。钴酸锂的首圈效率一般达到94%以上，而磷酸铁锂的首圈效率更高，约为98%。对正极材料而言，容量的损失主要是由首次放电后材料结构变化引起。相比正极，负极的首圈效率要低得多，在碳负极、石墨负极、硅碳负极尤为明显。这是由于锂离子在嵌入石墨、硅碳前，会先在石墨、硅碳表面形成固态电解质膜--SEI，此过程不可逆的损失活性锂离子，与此同时，正极被迫留下一定比例无锂离子可以匹配的“无用”材料，变相增加了电池的重量，降低了有效容量。因此提高负极首次效率将显著提高全电池的首圈效率，从而提升锂离子全电池的容量。
本发明提供一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法，实现了金属锂的预嵌入，有效的改善了电池首次充放电循环的不可逆容量衰退问题，提高了电池的整体能量密度。目前，现有的专利预嵌锂基本采用喷涂加辊轧的形式，即活性物质表面喷涂含有金属锂的粉末，后辊轧嵌入，但此方法存的问题是，所用活性锂均为表面钝化的活性锂，如采用LiCO3、LiF、LiN、Li3PO4包裹的金属锂粉；辊轧后均无加热，活性锂聚集在负极材料表面；喷涂过程需要大量的有机溶剂，后期干燥脱溶处理复杂，容易污染环境。发明专利CN103021675A公开了一种预嵌锂的制备方法，采用金属锂与负极直接接触，但存在缺陷，金属锂粉质地柔软，辊轧后锂粉会比较致密的覆盖在活性材料表面，影响注液时电解液对负极材料的浸润。专利CN105869917A提供了预嵌锂的方法，但实际嵌入的锂为LiCO3包裹的金属锂，引入无效的锂源。专利CN207265160U采用蒸镀法在薄膜表面制备超薄锂带，但尚未应用于将金属锂嵌入碳、石墨、硅碳。如果将制备的超薄锂带应用在碳、石墨、硅碳表面，如何从原基材剥落，剥落后与碳、石墨、硅碳的复合仍是问题。本发明借鉴专利CN207265160U部分方法，在此基础上加以改良和延伸，提供了一种采用蒸发沉积方法在石墨、硅碳嵌入金属锂制备电池负极材料的方法及装置，对改善电池性能提供了重要的技术手段。
发明内容
本发明目的在于提供一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置，该装置包括控制系统（1）、前卷扬装置（2）、锂嵌入装置（3）、后卷扬装置（4）、抽气装置（5）、结构承载及密封壳体（6），前卷扬装置、锂嵌入装置、后卷扬装置位于结构承载及密封壳体内部；抽气装置直接连接结构承载及密封壳体；控制系统通过电缆、信号线连接前卷扬装置、锂嵌入装置、后卷扬装置及抽气装置。
所述前卷扬装置（2）位于结构承载及密封壳体（6）内部，布置于上部。前卷扬装置（2）由卷扬辊（7）、张紧轮（8）构成，卷扬辊（7）、张紧轮（8）通过轴固定于结构承载及密封壳体（6）上。前卷扬装置（2）内各个部件的动作受控制系统（1）控制运转。
所述锂嵌入装置（3）位于结构承载及密封壳体（6）内部，布置于下部；内有镀膜辊（9）、可活动挡板（10）、电加热锂舟（11）、热压辊（12）及转向辊（13）；电加热锂舟（11）位于镀膜辊（9）下方，中间有可活动挡板（10），热压辊（12）位于镀膜辊一侧，有张紧装置，调节两辊间压力；镀膜辊（9）、可活动挡板（10）、电加热锂舟（11）、热压辊（12）及转向辊（13）通过轴固定于结构承载及密封壳体（6）上。锂嵌入装置（3）运作、电加热锂舟（11）温度、热压辊（12）辊面压力及温度受控制系统（1）控制。
所述后卷扬装置（4）位于结构承载及密封壳体（6）内部，布置于上部；包含张紧轮（8）、收卷辊（14），张紧轮（8）、收卷辊（14）通过轴固定于结构承载及密封壳体（6）上，后卷扬装置的动作受控制系统（1）控制。
所述抽气装置（5）直接连接结构承载及密封壳体（6）；抽气装置（5）内有抽气机组，可对结构承载及密封壳体（6）内部抽气，抽气动作受控制系统（1）控制。
所述控制系统（1）通过电源线和信号线完成对前卷扬装置（2）、锂嵌入装置（3）、后卷扬装置（4）、抽气装置（5）部件的控制。
一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的方法，采用蒸镀沉积方法制备锂金属薄膜，配合加热、辊压处理将锂金属分散到负极基材中；具体步骤如下：抽气装置抽气，将整个壳体内压力降至工作压力，前卷扬装置将要镀膜的负极基材送入锂嵌入装置，将要蒸发的金属送入加热舟中，加热舟通电加热，使金属融化获得气态金属原子、分子，负极基材位于加热舟的上方，气态金属通过活动挡板开口后遇到负极基材，在负极基材表面沉积，形成金属膜层，带金属膜层的负极基材经过加热、辊压处理，金属从负极基材表面分散进入负极基材中，完成金属的预嵌入，后送入卷扬装置完成成卷。
所述负极基材为表面涂覆碳的铝箔、表面涂覆碳的铜箔、表面涂覆碳的镍箔、表面涂覆硅碳的铝箔、表面涂覆硅碳的铜箔、表面涂覆硅碳的镍箔。
附图说明
图1为本发明提供一种预嵌入金属锂的装置：1控制系统；2前卷扬装置；3锂嵌入装置；4后卷扬装置；5抽气装置；6结构承载及壳体；7卷扬辊；8张紧轮；9镀膜辊；10可活动挡板；11电加热锂舟；12热压辊；13转向辊；14收卷辊，15控制线缆。
具体实施方式
本发明为了解决锂离子二次电池在首次充放电过程中不可逆的能量损失问题。本发明提供了一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置及方法，来提高现有电池的能量密度，改善电池性能。
本发明中的抽气装置对结构承载及密封壳体抽真空，前后卷扬装置，锂嵌入装置均位于结构承载及密封壳体内部。前后卷扬装置负责负极基材薄膜的放卷、输送、转场、收卷。展开的负极基材通过前卷扬装置送入锂嵌入装置。锂嵌入装置内有锂舟，通电加热金属舟，金属舟内装有金属锂，获得气态金属锂，加热温度选用180℃-300℃。加热舟与镀膜辊之间有开度可调的活动挡板，加热舟与活动挡板之间距离为1cm-50cm，活动挡板上方为镀膜辊，加热舟与镀膜辊之间距离为2cm-100cm，可在与镀膜辊下端面高度相同位置配备薄膜厚度监测仪，配合挡板调节金属锂的沉积量，金属锂的沉积厚度在1nm到2000nm。薄膜基材送入锂嵌入装置，附在镀膜辊上，金属锂从加热舟溢出，经过活动挡板的开口，均匀沉积在负极基材薄膜表面。沉积完金属锂的负极基材薄膜送入热压辊，通过加热、辊压，将沉积在负极基材薄膜表面的金属锂嵌入膜内。加热温度选用150℃-300℃。辊面压力0.1kg-1kg。负极基材薄膜通过转向辊送入后卷扬装置，完成收卷。控制系统完成各段装置的控制。
为能进一步了解本发明的发明内容，特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
将成卷的硅碳薄膜放入前卷扬装置（2），薄膜引头送入锂嵌入装置（3），打开抽气装置的各级机械泵及高真空系统，将装置内的气体抽出，使壳体内压力保持不大于0.1Pa。打开可活动挡板（10）并调节开度，电加热锂舟（11）通电加热，调节加热温度为200℃，钨舟里的金属锂融化，开始蒸发，电加热锂舟（11）与镀膜辊之间距离调整为10cm，转动镀膜辊（9），薄膜在电加热舟上方快速掠过，完成一层沉积金属锂。沉积锂厚度在10nm-15nm，沉积完金属锂的薄膜送入热压辊（12），调节热压辊温度180℃，压力0.1kG，均匀辊压表面沉积金属锂的硅碳膜。使金属锂均匀分散到薄膜内部，完成嵌锂工艺。覆膜结束后由后卷扬装置（4）卷曲成卷。密封保存。
Claims (8)
1.一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置，其特征在于：该装置包括控制系统（1）、前卷扬装置（2）、锂嵌入装置（3）、后卷扬装置（4）、抽气装置（5）、结构承载及密封壳体（6），前卷扬装置、锂嵌入装置、后卷扬装置位于结构承载及密封壳体内部；抽气装置直接连接结构承载及密封壳体；控制系统通过电缆、信号线连接前卷扬装置、锂嵌入装置、后卷扬装置及抽气装置。
2.根据权利要求1所述一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置，其特征在于前卷扬装置（2）位于结构承载及密封壳体（6）内部，布置于上部，前卷扬装置（2）由卷扬辊（7）、张紧轮（8）构成，卷扬辊（7）、张紧轮（8）通过轴固定于结构承载及密封壳体（6）上，前卷扬装置（2）内各个部件的动作受控制系统（1）控制运转。
3.根据权利要求1所述一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置，其特征在于锂嵌入装置（3）位于结构承载及密封壳体（6）内部，布置于下部；内有镀膜辊（9）、可活动挡板（10）、电加热锂舟（11）、热压辊（12）及转向辊（13）；电加热锂舟（11）位于镀膜辊（9）下方，中间有可活动挡板（10），热压辊（12）位于镀膜辊一侧，有张紧装置，调节两辊间压力；镀膜辊（9）、可活动挡板（10）、电加热锂舟（11）、热压辊（12）及转向辊（13）通过轴固定于结构承载及密封壳体（6）上，锂嵌入装置（3）运作、电加热锂舟（11）温度、热压辊（12）辊面压力及温度受控制系统（1）控制。
4.根据权利要求1所述一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置，其特征在于后卷扬装置（4）位于结构承载及密封壳体（6）内部，布置于上部；包含张紧轮（8）、收卷辊（14），张紧轮（8）、收卷辊（14）通过轴固定于结构承载及密封壳体（6）上，后卷扬装置的动作受控制系统（1）控制。
5.根据权利要求1所述一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置，其特征在于抽气装置（5）直接连接结构承载及密封壳体（6）；抽气装置（5）内有抽气机组，可对结构承载及密封壳体（6）内部抽气，抽气动作受控制系统（1）控制。
6.根据权利要求1所述一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的装置，其特征在于控制系统（1）通过电源线和信号线完成对前卷扬装置（2）、锂嵌入装置（3）、后卷扬装置（4）、抽气装置（5）部件的控制。
7.一种利用权利要求1所述的装置预嵌入金属锂制备电池负极材料的方法，其特征在于采用蒸镀沉积方法制备锂金属薄膜，配合加热、辊压处理将锂金属分散到负极基材中；具体步骤如下：抽气装置抽气，将整个壳体内压力降至工作压力，前卷扬装置将要镀膜的负极基材送入锂嵌入装置，将要蒸发的金属送入加热舟中，加热舟通电加热，使金属融化获得气态金属原子、分子，负极基材位于加热舟的上方，气态金属通过活动挡板开口后遇到负极基材，在负极基材表面沉积，形成金属膜层，带金属膜层的负极基材经过加热、辊压处理，金属从负极基材表面分散进入负极基材中，完成金属的预嵌入，后送入卷扬装置完成成卷。
8.根据权利要求7所述一种预嵌入金属锂制备电池负极材料的方法，其特征在于负极基材为表面涂覆碳的铝箔、表面涂覆碳的铜箔、表面涂覆碳的镍箔、表面涂覆硅碳的铝箔、表面涂覆硅碳的铜箔、表面涂覆硅碳的镍箔。
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