CN110380009B - 一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置及方法，包括储锂腔(9)，可维持储锂腔(9)处于真空或负压状态的密封组件，将储锂腔(9)内固态锂熔融成液态锂的加热套管(8)，与储锂腔(9)连通的注锂咀(11)，驱动储锂腔(9)内液态锂通过注锂咀(11)注入电池的固态电解质与电池壳体之间的驱动组件，以及向储锂腔(9)添加固态锂的加料口(7)和探测储锂腔(9)内温度的测温组件(5)。在真空或负压状态下，将储锂腔内液态锂注入电池内部，通过控制电解质与电池外壳(或者电解质)之间内腔尺寸来实现10～50微米厚度的金属锂负极的制备，与现有技术相比，本发明所制备得到金属锂具有薄、纯度高，与固态电解质润湿性好等特点。

Description

一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置及方法
技术领域
本发明涉及全固态锂电池技术领域，更具体的说，涉及一种锂负极制备技术及装置。
背景技术
固态锂离子电池由于其具有较高的安全性能而成为下一代锂离子电池的主要发展方向，然而限制固态锂离子电池主要有以下两点原因：其一，固态锂离子电池中电极与固态电解质之间的界面电阻很大，这使固态锂离子电池在使用过程中极化增大，其二，固态锂离子电池的能量密度受到负极材料的限制。因此金属锂负极成为锂电池负极的理想材料，金属锂负极的比容量为3860mAh/g，但是金属锂的应用仍存在两个限制因素——表面氧化锂与碳酸锂会增大界面阻抗以及超薄金属锂负极的制备极为困难。
基于以上分析，需要研究出一种新方案来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在熔融加注过程中金属锂表面的氧化锂和碳酸锂被有效去除，并且能够通过控制电池壳体的尺寸来制备超薄的锂负极的全固态锂电池锂负极热熔加注装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种热熔注锂加注装置，其特征在于，包括储锂腔，可维持储锂腔处于真空或负压状态的密封组件，将储锂腔内固态锂熔融成液态锂的加热套管，与储锂腔连通的注锂咀，驱动储锂腔内液态锂通过注锂咀注入电池的固态电解质与电池壳体之间的驱动组件，以及向储锂腔添加固态锂的加料口和探测储锂腔内温度的测温组件。
所述的储锂腔为储锂筒的内部腔体，其一端设置注锂咀，另一端设置与其密封连接的封盖，该封盖上还设有连接抽真空装置的抽气口。
所述的驱动组件包括第一驱动器和与其连接的滑动杆，使整个装置构成热熔加注机；
或者，所述的驱动组件包括第一驱动器和与其连接的螺杆，使整个装置构成热熔螺杆加注机。
通过成渣除去或者剪切力除去金属锂中的氧化锂。
所述的滑动杆穿过储锂腔，端部与注锂咀嵌合，滑动杆受第一驱动器驱动后可将注锂咀封闭或者打开。
所述的封盖中心设有中心孔，所述滑动杆一端连接第一驱动器，另一端穿过封盖上的中心孔，深入储锂腔内，并在滑动杆与封盖之间设有密封圈。
所述的密封组件包括第一密封机构和第二密封机构，其中第一密封机构为驱动组件与储锂桶之间的密封机构，包括滑动杆与封盖之间设有密封圈，以及滑动杆与注锂咀之间的嵌合密封，第二密封机构包括加料口以及与其密封连接的密闭器件。
所述的加料口上设有第二驱动器，以及与其连接的密闭器件，第二驱动器带动密闭器件打开或密闭加料口。
所述的热熔加注机工作时，所述的滑动杆嵌入注锂咀，抽真空使储锂腔保持抽真空状态，通过加料口向储锂腔内加入固态锂，启动加热套管，加热到金属锂的熔点以上，滑动杆移开，将融化的锂注入通过注锂咀电池内部。
所述的热熔螺杆加注机工作时，抽真空使储锂腔保持抽真空状态，在加料口加注金属锂之后，通过螺杆的运动将金属锂推向注锂咀，并且加热融化形成液态金属锂，在螺杆剪切力的作用下，表面的氧化锂滞留在螺杆前段，从而往前不断推出纯净的液态锂，当液态锂达到注锂咀的时候，打开电池密封口并且注入液态锂。
一种采用上述装置热熔注锂加注方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)抽真空使储锂腔成负压或真空状态，保持该状态；
2)通过加料口向储锂腔中加入锂片或锂锭，打开加热套管，在惰性气氛下加热获得热熔液态锂；
3)在储锂腔负压作用下将热熔锂注入到电池的固态电解质与电池壳体之间；在加注过程中，由于熔融的金属锂在通过注锂咀的过程中受到较大剪切力的作用，流动性较差的表面氧化锂和碳酸锂会留存于储锂室，从而暴露出纯净的金属锂，纯净的金属锂与固态电解质相容性良好，降低界面阻抗；
4)待热熔锂和固体电解质充分浸润之后，控制冷却过程，得到含有预设厚度锂负极的全固态锂电池产品。
步骤(2)中加热套管的加热温度为180℃～350℃；
步骤(3)通过控制固态电解质与电池壳体之间的内腔尺寸来实现10～50微米厚度的金属锂负极的制备。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.利用热熔锂在加注过程中产生的剪切力破坏金属锂表面固有的氧化锂和碳酸锂等杂质层，暴露新鲜熔融锂，同时利用熔融金属锂和固态电解质良好的浸润性，通过控制电解质与电池外壳(或者电解质)之间内腔尺寸来实现10～50微米厚度的金属锂负极的制备。
2.本发明还公开了两种热熔注锂的装置，分别为热融加注机和热熔螺杆加注机。前者包括驱动器、滑动杆、测温组件、加料口、密封圈、加热套管、储锂腔和储锂筒等，其底部包括一个注液咀，该注液咀在注液的时候是连接在电池接口上的，在抽取电池内部气体之后，使用滑动杆密封装置保证电池内部的真空度；加料口的密封装置可以实现加料之后的内部密封性，加热的过程中，氧化锂不断在上层以浮渣形式析出，从而得到纯度更高的金属锂。第二个热熔注锂装置是热熔螺杆加注机，其包括驱动器、加料口、测温组件、加热套环、螺杆、料筒、储锂腔、储锂筒和注锂咀等装置，通过螺杆的运动不断挤出金属锂，同时利用挤出过程的剪切力除去氧化锂，从而得到纯净的液态锂的过程。
3.本发明所制备得到金属锂具有薄、纯度高，与固态电解质润湿性好等特点。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明装置一热融加注机的主视结构示意图；
图3是本发明装置二热熔螺杆加注机的主视结构示意图。
图中标记如下：
1第一驱动器 2滑动杆 3第二驱动器
4密闭器件 5测温组件 6密封圈
7加料口 8加热套管 9储锂腔
10储锂筒 11注锂咀 12螺杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所揭示的是一种锂电池锂金属负极加注方法。如图1所示，该方法包括下述步骤：
1、从电池抽气孔抽真空，使电池内部形成真空状态，并保持该状态；
2、在储锂腔中加入定量锂锭；
3、打开储锂腔外部的加热套管，加热至180℃～320℃，待锂锭熔化之后准备加注锂金属负极；
4.在负压作用下，熔融金属锂注入到固态电解质与电池壳空隙中，静置冷却。
实施例1
依据上述方法，本发明还展示了一种锂电池金属锂负极熔融加注装置，如图2所示，为本发明装置的模板实施例。
所述的锂电池金属锂负极熔融加注装置包括有储锂系统、熔融锂加注系统、进料系统和加热温控系统。其中：
所述储锂系统内包含加热套管8、储锂腔9、储锂筒10和注锂咀11等，此系统中注锂咀11和电池注锂孔相连接，储锂筒10内腔构成储锂腔9，储锂腔9内存放熔融金属锂，加热套管8用于加热金属锂锭(通常使用温度为320℃)，测温组件5和加热套管8形成加热温控系统。
所述熔融锂加注系统包括第一驱动器1、滑动杆2、密封圈6，滑动杆2穿过储锂腔9且其端部与注锂咀11相嵌合，本实施例中，滑动杆2由第一驱动器1所驱动并与储锂筒10上端孔由密封圈6相连接，橡胶密封圈6保证了滑动杆2在注锂过程中储锂腔9保持惰性气氛，不引入氧化锂。
所述的进料系统包括第二驱动器3、密闭器件4、加料口7，在加原料时，第二驱动器3带动密闭器件4打开，在惰性环境下由其中一个加料孔7中加入锂锭或者锂块，此时盖上密闭器件4。储锂腔9中锂锭处于惰性气氛中，表面氧化锂含量较少。
第一驱动器1、第二驱动器3均采用液缸动力源。
使用时，包括以下步骤：
1.从电池抽气孔抽真空，使电池内部形成真空状态，并保持该状态
2.滑动杆2嵌入注锂咀11，使其闭合，第二驱动器3驱动密闭器件4将加料口7闭合，通过抽气孔抽真空使储锂腔9保持抽真空或负压状态，然后通过第二驱动器3驱动密闭器件4打开加料口7，通过加料口7向储锂腔9内加入固态锂，然后第二驱动器3驱动密闭器件4关闭加料口7，启动加热套管8，加热到320℃以上，待锂锭熔化之后准备加注锂金属负极，滑动杆2移开，在负压作用下，将融化的锂注入通过注锂咀11固态电解质与电池壳空隙中，静置冷却。
在加注过程中，由于熔融的金属锂在通过注锂咀的过程中受到较大剪切力的作用，流动性较差的表面氧化锂和碳酸锂会留存于储锂室，从而暴露出纯净的金属锂，纯净的金属锂与固态电解质相容性良好，降低界面阻抗。
实施例2
依据上述方法，本发明还展示了第二种锂电池金属锂负极熔融加注装置，如图3所示，为热熔螺杆加注装置。
所述的锂电池金属锂负极熔融加注装置包括第一驱动器1、加料口7、测温组件5、加热套管8、螺杆12、储锂腔9、储锂筒10和注锂咀11等。此装置中的注锂咀11与固态电池的注锂孔相连接。储锂系统由储锂筒10内腔形成储锂腔9，腔体内部存储液态的金属锂。测温组件5和加热套管8形成加热温控系统。
第一驱动器1，加料口7、螺杆12构成熔融锂加注系统，在惰性环境下通过加料口7中加入锂锭或者锂块，并且加热到320℃，让第一驱动器1驱动螺杆12的旋转运动，不断带动液态金属锂向前移动。
以上所述，仅是本发明的两个较佳的实施例而已，并非对本发明的技术范围做任何限制，故凡是一句本发明的技术实质对以上实施例所作的任何席位修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例中，而是要符合与本文所公开的的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，包括储锂腔(9)，可维持储锂腔(9)处于真空或负压状态的密封组件，将储锂腔(9)内固态锂熔融成液态锂的加热套管(8)，与储锂腔(9)连通的注锂咀(11)，驱动储锂腔(9)内液态锂通过注锂咀(11)注入电池的固态电解质与电池壳体之间的驱动组件，以及向储锂腔(9)添加固态锂的加料口(7)和探测储锂腔(9)内温度的测温组件(5)。
2.根据权利要求1所述的一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，所述的储锂腔(9)为储锂筒(10)的内部腔体，其一端设置注锂咀(11)，另一端设置与其密封连接的封盖，该封盖上还设有连接抽真空装置的抽气口。
3.根据权利要求1或2所述的一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，所述的驱动组件包括第一驱动器(1)和与其连接的滑动杆(2)，使整个装置构成热熔加注机；
或者，所述的驱动组件包括第一驱动器(1)和与其连接的螺杆(12)，使整个装置构成热熔螺杆加注机。
4.根据权利要求3所述的一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，所述的滑动杆(2)穿过储锂腔(9)，端部与注锂咀(11)嵌合，滑动杆(2)受第一驱动器驱动后可将注锂咀(11)封闭或者打开。
5.根据权利要求3所述的一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，所述的封盖中心设有中心孔，所述滑动杆(2)一端连接第一驱动器(1)，另一端穿过封盖上的中心孔，深入储锂腔(9)内，并在滑动杆(2)与封盖之间设有密封圈(6)。
6.根据权利要求1或5所述的一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，所述的加料口(7)上设有第二驱动器(3)，以及与其连接的密闭器件(4)，第二驱动器(3)带动密闭器件(4)打开或密闭加料口(7)。
7.根据权利要求3所述的一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，所述的热熔加注机工作时，所述的滑动杆(2)嵌入注锂咀(11)，抽真空使储锂腔(9)保持抽真空状态，通过加料口(7)向储锂腔(9)内加入固态锂，启动加热套管(8)，加热到金属锂的熔点以上，滑动杆(2)移开，将融化的锂注入通过注锂咀(11)电池内部。
8.根据权利要求3所述的一种全固态锂电池锂负极热熔加注装置，其特征在于，所述的热熔螺杆加注机工作时，抽真空使储锂腔(9)保持抽真空状态，在加料口(7)加注金属锂之后，通过螺杆(12)的运动将金属锂推向注锂咀(11)，并且加热融化形成液态金属锂，在螺杆(12)剪切力的作用下，表面的氧化锂滞留在螺杆(12)前段，从而往前不断推出纯净的液态锂，当液态锂达到注锂咀(11)的时候，打开电池密封口并且注入液态锂。
9.一种采用权利要求1所述的装置热熔注锂加注方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)抽真空使储锂腔(9)成负压或真空状态，保持该状态；
2)通过加料口(7)向储锂腔(9)中加入锂片或锂锭，打开加热套管(8)，在惰性气氛下加热获得热熔液态锂；
3)在储锂腔(9)负压作用下将热熔锂注入到电池的固态电解质与电池壳体之间；
4)待热熔锂和固体电解质充分浸润之后，控制冷却过程，得到含有预设厚度锂负极的全固态锂电池产品。
10.根据权利要求9所述的装置热熔注锂加注方法，其特征在于，步骤(2)中加热套管的加热温度为180℃～350℃；
步骤(3)通过控制固态电解质与电池壳体之间的内腔尺寸来实现10～50微米厚度的金属锂负极的制备。
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