CN111509193A - 碾压补锂装置和方法 - Google Patents

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CN111509193A CN202010455864.8A CN202010455864A CN111509193A CN 111509193 A CN111509193 A CN 111509193A CN 202010455864 A CN202010455864 A CN 202010455864A CN 111509193 A CN111509193 A CN 111509193A
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范佳臻
吴月
田秀君
李敏
陈淑青
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Hunan Lingpai Energy Storage Technology Co ltd
Hunan Lingpai New Energy Research Institute Co ltd
Hunan Lingpai New Energy Technology Co Ltd
Hengyang Lingpai New Energy Technology Co Ltd
Hunan Lead Power Dazhi Technology Inc
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Hunan Xinminya New Energy Technology Co Ltd
Sichuan Xinminya Battery Technology Co Ltd
Suzhou Lingwei New Energy Technology Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种碾压补锂装置和方法，所述碾压补锂装置包括：碾压机构和提供锂源的供给机构；其中，所述碾压机构包括碾压辊和连接所述碾压辊的静电吸附器；所述供给机构与碾压辊连接，在所述静电吸附器的作用下，所述碾压辊表面吸附所述供给机构提供的锂源，以在碾压极片时使所述碾压辊表面吸附的锂源嵌入所述极片。本申请实现在碾压极片的同时进行补锂，锂源通过碾压辊直接嵌进极片表面，由此可以补充锂离子电池在第一次充电过程中锂的消耗，增加电池容量；且对原有制程工序及设备环境无特殊要求，也完全不影响现有产能。

Description

碾压补锂装置和方法
技术领域
本申请涉及锂离子电池制造领域，特别涉及一种碾压补锂装置和方法。
背景技术
随着锂电子电池的发展，市场上对电池的能量密度要求越来越高，目前国内研发使用最高能量密度的负极是硅(Si)负极材料，Si材料的理论容量可达4200mAh/g，但是由于其巨大的体积膨胀(300％以上)导致硅负极涂层粉化、从集流体上脱落，循环寿命变差。为了缓解Si负极的体积膨胀问题，SiOx材料成为了近年来应用的主流，但是由于SiOx材料在首次嵌锂(Li)的过程中会形成Li氧化物，导致大量的Li元素失去活性，成为死Li，导致电池的首次效率只有约70％，仅为石墨材料的首次效率78％，严重影响了动力电池比能量的提升。
为了解决SiOx负极首次效率较低的问题，补Li成为了各大研究机构及厂家的热门技术。现有提出的补锂方法例如有：通过简单原电池设计，在负极片上进行预补锂，但此方法对后续负极片的组装设备及环境产生严格要求；采用两层隔膜夹杂补锂层的方法，通过对补锂层极耳和正极或负极极耳连接，将活性锂层中的锂嵌入到正极或负极中，完成补锂，但此方法将增加锂离子传输难度，导致正负极间的阻抗增加，另外隔膜的制作难度和补锂层的一致性也会对实际应用产生巨大阻碍；还有研究通过在钴酸锂/硬碳体系中添加少量的LisFeO4材料，可使体系首次效率提升10％，并改善了循环性能。
发明内容
本申请要解决的技术问题是现有的补锂方案对环境要求严格且增加极片电池制作难度。
为解决上述技术问题，本申请公开了一种碾压补锂装置，包括：碾压机构和提供锂源的供给机构；其中，所述碾压机构包括碾压辊和连接所述碾压辊的静电吸附器；所述供给机构与碾压辊连接，在所述静电吸附器的作用下，所述碾压辊表面吸附所述供给机构提供的锂源，以在碾压极片时使所述碾压辊表面吸附的锂源嵌入所述极片。
可选的，所述碾压辊有两个，上下布置，用于分别碾压所述极片的两个表面。
可选的，所述供给机构包括：依次连接的锂源收容罐、锂源传输管道和锂源箱，所述锂源收容罐存放的锂源粉末通过所述锂源传输管道传输至所述锂源箱，所述锂源箱与所述碾压辊表面连接，且所述锂源箱的数量与所述碾压辊的数量对应。
可选的，所述锂源箱为封闭式，其具有刮粉结构，所述刮粉结构包括第一挡板和第二挡板，所述第一挡板用于将经过碾压后的碾压辊表面残留的锂源粉末刮除，所述第二挡板用于均匀碾压辊表面吸附的锂源粉末厚度。
可选的，所述第二挡板与碾压辊的缝隙间距为0～1μm。
可选的，所述静电吸附器的正极连接碾压辊，负极连接大地；所述静电吸附器的输出电压为8kV～30kV。
可选的，所述碾压补锂装置还包括：封闭箱，所述碾压机构和所述锂源箱置于所述封闭箱内。
可选的，所述碾压补锂装置还包括：传输机构，用于将所述极片传输至所述碾压机构。
为解决上述技术问题，本申请还公开了一种碾压补锂方法，包括：采用上述述的碾压补锂装置对极片进行碾压，以在碾压时将锂源嵌入所述极片。
可选的，所述极片为正极极片，所述正极极片的材料包含钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、三元材料和富锂锰基材料中的一种或几种组合。
可选的，所述极片为负极极片，所述负极极片的材料包含石墨系材料、硅系材料、锡系材料、钛酸锂和二维材料石墨烯材料中的一种或几种组合。
可选的，所述锂源包含稳定化锂金属粉末、硅化锂粉和富锂化合物中的一种或几种组合的锂复合材料；锂源粉末颗粒的直径范围为0.01μm～1μm。
可选的，所述碾压辊的碾压压力为200t～500t。
与现有技术相比，本申请技术方案至少具有如下有益效果：
在碾压辊进行碾压前，锂源经过静电吸附的作用吸附在碾压辊表面上，可以实现在碾压极片的同时进行补锂，锂源通过碾压辊直接嵌进极片表面，由此可以补充锂离子电池在第一次充电过程中锂的消耗，增加电池容量；且对原有制程工序及设备环境无特殊要求，也完全不影响现有产能。
采用上下碾压辊可以同时进行双面碾压和补锂，并且通过锂源箱的结构设计，补锂量易于控制、且粉料锂源可回收、无粉体污染。
采用在碾压时增加补锂，同时适用于正、负极极片，不需额外增加电池制作工序，因此在量产线实施方便，且设备简单易于管理和操作。另外，锂源为非化学性质活泼的纯金属锂，可以实现在空气中操作。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的碾压补锂装置的结构示意图。
以下对附图作补充说明：
1-碾压辊；2-静电吸附器；3-封闭箱；4-锂源收容罐；5-锂源传输管道；6-锂源箱；7-第一挡板；8-第二挡板；9-极片。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请技术方案采用″干法补锂″技术，在碾压过程中完成锂源的添加，流程简单，并且不会影响后续极片的制作，碾压补锂装置易于维护、易于实现批量化生产。以下结合附图和实施例对本申请技术方案进行详细说明。
请参考图1所示，本申请提供的一种碾压补锂装置包括：碾压机构和提供锂源的供给机构；其中，所述碾压机构包括碾压辊1和连接碾压辊1的静电吸附器2；所述供给机构与碾压辊1连接，在静电吸附器2的作用下，碾压辊1表面吸附所述供给机构提供的锂源，以在碾压极片9时使碾压辊1表面吸附的锂源嵌入极片9。
可以有一个碾压辊1，依次碾压极片9的两个表面，为了提高碾压补锂效率和效果，本实施例的碾压补锂装置中，碾压辊1有两个，上下布置，用于分别碾压极片9的两个表面。静电吸附器2的正极连接碾压辊1，负极连接大地；静电吸附器2的输出电压为8kV～30kV。在实际实施时，可以根据情况调节静电吸附器2的输出电压高低，以此调节对锂粉的吸附力大小。如果输出电压过高，碾压辊1对锂粉吸附太强，会导致很多粉料被吸附在碾压辊1上，造成第二挡板8均匀碾压辊1表面吸附的锂源粉末厚度的工作困难(后面将详细说明)；但如果输出电压过低，碾压辊1对锂粉吸附力很弱，锂粉易于从碾压辊1脱离，造成补锂不均或丧失补锂能力。
进一步，本实施例的供给机构可以包括：依次连接的锂源收容罐4、锂源传输管道5和锂源箱6，锂源收容罐4存放的锂源粉末通过锂源传输管道5传输至锂源箱6，锂源箱6与碾压辊1表面连接，且锂源箱6的数量与碾压辊1的数量对应。如图1所示的碾压辊1有两个，对应地，锂源箱6也有两个。
具体实施时，在碾压工序中，锂源收容罐4中的锂源粉料通过锂源传输管道5传输至锂源箱6；碾压辊1可以按图1所示的箭头方向顺时针转动，当上下碾压辊1表面经过锂源箱6时，锂源箱6中的锂源由于静电吸附器2的静电作用被吸附在碾压辊1表面上；在极片9通过上下碾压辊1时，碾压的同时碾压辊1表面的锂源也嵌入极片9。
所述锂源箱6可以为封闭式结构，其具有刮粉结构，所述刮粉结构包括第一挡板7和第二挡板8，第一挡板7用于将经过碾压后的碾压辊1表面残留的锂源粉末刮除，第二挡板8用于均匀碾压辊1表面吸附的锂源粉末厚度。
具体地，碾压辊1通过转动对极片9进行碾压，同时在极片9中嵌锂完成补锂。在碾压补锂后，依照碾压辊1的转动方向，碾压辊1表面先经过锂源箱6的第一挡板7，再经过锂源箱6的第二挡板8。
第一挡板7具有将经过碾压后的碾压辊1表面残留的锂源粉末刮除的功能。在极片碾压后会有活性材料黏在辊表面，第一挡板7具有将碾压辊1上的残留锂源粉末和极片碾压后黏在辊表面的活性材料刮除的功能，如果不刮除干净，一方面黏在辊表面的活性材料会混入锂源箱6而造成锂源的污染，另一方面也会影响锂源再次吸附而造成吸附不均匀。另外，刮粉结构还可以具有锂源回收功能，这样被第一挡板7刮下的锂源可以掉落进回收箱。
第二挡板8具有在碾压辊1吸附锂源粉末后均匀碾压辊1吸附锂源厚度的功能。锂源被吸附在碾压辊1表面可能会有表面凹凸不均的情况，第二挡板8可以使碾压辊1表面吸附的锂源均匀，通过调整静电吸附器2的输出电压和第二挡板8与碾压辊1的缝隙间距可以控制补锂层厚度，达到电池补锂要求。本实施例中，第二挡板8与碾压辊1的缝隙间距为0～1μm可调，通过调整第二挡板8与碾压辊1的缝隙间距可以使碾压辊1表面吸附的锂源厚度均匀且符合需求。
如图1所示，所述碾压机构(碾压辊1和静电吸附器2)和锂源箱6可以置于封闭箱3内。封闭箱的作用在于减少引入外来污染源，防止将其他杂质与锂源一起碾压到电极表面，造成电池性能下降。在其它实施例中也可以不使用封闭箱。
另外，碾压补锂装置还可以包括：传输机构(未图示)，用于将极片9传输至所述碾压机构。传输机构可以采用传送带，将极片9送至所述碾压机构进行碾压并同时补锂。
本申请技术方案还提供一种碾压补锂方法，包括：采用上述的碾压补锂装置对极片进行碾压，以在碾压时将锂源嵌入所述极片。
所述极片可以为正极极片，所述正极极片的材料可以包含钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、三元材料和富锂锰基材料中的一种或几种组合。具体实施时，所述正极极片可以是由包含钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、三元材料和富锂锰基材料中的一种或几种组合的活性材料以及导电剂、粘结剂及溶剂通过搅拌所得到的混合料制成的正极片。
所述极片也可以为负极极片，所述负极极片的材料可以包含石墨系材料、硅系材料、锡系材料、钛酸锂和二维材料石墨烯材料中的一种或几种组合。具体实施时，所述负极极片可以是由包含石墨系材料、硅系材料、锡系材料、钛酸锂和二维材料石墨烯材料中的一种或几种组合的活性材料以及导电剂、粘结剂及溶剂通过搅拌所得到的混合料制成的负极片。
所述锂源包含稳定化锂金属粉末、硅化锂粉和富锂化合物中的一种或几种组合的锂复合材料；锂源粉末颗粒的直径范围为0.01μm～1μm。
另外，在碾压时，所述碾压辊的碾压压力可以设定为200t～500t。碾压的作用在于：一方面将锂源压入极片表面，另一方面完成对极片的活性物质的碾压工作，降低极片厚度和减小活性物质颗粒间的距离，提高电池容量及降低电池极化。如果碾压压力过小，锂源不能很好嵌入电极表面；如果碾压压力过大，则材料颗粒间的挤压程度越大，极片的孔隙度就会减小，注液后吸收电解液能力会变差，导致电池容量降低，电池的保液能力变差，影响电池循环性能。
下面结合附图1和具体实施例来说明本申请碾压补锂方法的具体实施，但并不限于以下实施。
实施例1
碾压补锂装置包括在封闭箱3中的碾压机构，还包括供给机构和传输机构。其中碾压辊1与静电吸附器2连接，静电吸附器2负极连接大地，正极连接碾压辊1，调节静电吸附器2的输出电压为30kV。
碾压机构中上下碾压辊1与供给机构中的锂源箱6相接，锂源箱6存放有颗粒直径为0.5μm的稳定化锂金属粉末。在锂源收容罐4中的锂源通过锂源传输管道5，进入锂源箱6。
在碾压机构工作时，碾压辊1经过锂源箱6时，在静电作用下，锂源箱6中的锂源被吸附在碾压辊1表面，经过第二挡板8，第二挡板8与碾压辊1的缝隙间距为1μm，刮去碾压辊1表面吸附的多余锂源后，碾压辊1表面吸附厚度均匀的锂源。
调整碾压辊1的压力为420t，负极极片9在传输机构的带动下，经过上下碾压辊1碾压，同时，上下碾压辊1表面的锂源嵌入负极极片9。
碾压辊1表面残留的锂源随着碾压辊1转动，当与锂源箱6的第一挡板7接触，残留锂源被刮下，落入回收箱中。
实施例2
碾压补锂装置包括在封闭箱3中的碾压机构，还包括供给机构和传输机构。其中碾压辊1与静电吸附器2连接，静电吸附器2负极连接大地，正极连接碾压辊1，调节静电吸附器2的输出电压为10kV。
碾压机构中上下碾压辊1与供给机构中的锂源箱6相接，锂源箱6存放有颗粒直径为0.1μm的稳定化锂金属粉末。在锂源收容罐4中的锂源通过锂源传输管道5，进入锂源箱6。
在碾压机构工作时，碾压辊1经过锂源箱6时，在静电作用下，锂源箱6中的锂源被吸附在碾压辊1表面，经过第二挡板8，第二挡板8与碾压辊1的缝隙间距为0.3μm，刮去碾压辊1表面吸附的多余锂源后，碾压辊1表面吸附厚度均匀的锂源。
调整碾压辊1的压力为230t，负极极片9在传输机构的带动下，经过上下碾压辊1碾压，同时，上下碾压辊1表面的锂源嵌入负极极片9。
碾压辊1表面残留的锂源随着碾压辊1转动，当与锂源箱6的第一挡板7接触，残留锂源被刮下，落入回收箱中。
实施例3
碾压补锂装置包括在封闭箱3中的碾压机构，还包括供给机构和传输机构。其中碾压辊1与静电吸附器2连接，静电吸附器2负极连接大地，正极连接碾压辊1，调节静电吸附器2的输出电压为20kV。
碾压机构中上下碾压辊1与供给机构中的锂源箱6相接，锂源箱6存放有颗粒直径为0.4μm的稳定化锂金属粉末。在锂源收容罐4中的锂源通过锂源传输管道5，进入锂源箱6。
在碾压机构工作时，碾压辊1经过锂源箱6时，在静电作用下，锂源箱6中的锂源被吸附在碾压辊1表面，经过第二挡板8，第二挡板8与碾压辊1的缝隙间距为0.7μm，刮去碾压辊1表面吸附的多余锂源后，碾压辊1表面吸附厚度均匀的锂源。
调整碾压辊的压力为330t，负极极片9在传输机构的带动下，经过上下碾压辊1碾压，同时，上下碾压辊1表面的锂源嵌入负极极片9。
碾压辊1表面残留的锂源随着碾压辊1转动，当与锂源箱6的第一挡板7接触，残留锂源被刮下，落入回收箱中。
综上所述，在阅读本详细公开内容之后，本领域技术人员可以明白，前述详细公开内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改旨在由本公开提出，并且在本公开的示例性实施例的精神和范围内。
此外，本申请中的某些术语已被用于描述本公开的实施例。例如，“一个实施例”，“实施例”和/或“一些实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征，结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。因此，可以强调并且应当理解，在本说明书的各个部分中对“实施例”或“一个实施例”或“替代实施例”的两个或更多个引用不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征，结构或特性可以在本公开的一个或多个实施例中适当地组合。
应当理解，在本公开的实施例的前述描述中，为了帮助理解一个特征，出于简化本公开的目的，本申请有时将各种特征组合在单个实施例、附图或其描述中。或者，本申请又是将各种特征分散在多个本申请的实施例中。然而，这并不是说这些特征的组合是必须的，本领域技术人员在阅读本申请的时候完全有可能将其中一部分特征提取出来作为单独的实施例来理解。也就是说，本申请中的实施例也可以理解为多个次级实施例的整合。而每个次级实施例的内容在于少于单个前述公开实施例的所有特征的时候也是成立的。
在一些实施方案中，表达用于描述和要求保护本申请的某些实施方案的数量或性质的数字应理解为在某些情况下通过术语“约”，“近似”或“基本上”修饰。例如，除非另有说明，否则“约”，“近似”或“基本上”可表示其描述的值的±20％变化。因此，在一些实施方案中，书面描述和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值，其可以根据特定实施方案试图获得的所需性质而变化。在一些实施方案中，数值参数应根据报告的有效数字的数量并通过应用普通的舍入技术来解释。尽管阐述本申请的一些实施方案列出了广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体实施例中都列出了尽可能精确的数值。
本文引用的每个专利，专利申请，专利申请的出版物和其他材料，例如文章，书籍，说明书，出版物，文件，物品等，可以通过引用结合于此。用于所有目的的全部内容，除了与其相关的任何起诉文件历史，可能与本文件不一致或相冲突的任何相同的，或者任何可能对权利要求的最宽范围具有限制性影响的任何相同的起诉文件历史。现在或以后与本文件相关联。举例来说，如果在与任何所包含的材料相关联的术语的描述、定义和/或使用与本文档相关的术语、描述、定义和/或之间存在任何不一致或冲突时，使用本文件中的术语为准。
最后，应理解，本文公开的申请的实施方案是对本申请的实施方案的原理的说明。其他修改后的实施例也在本申请的范围内。因此，本申请披露的实施例仅仅作为示例而非限制。本领域技术人员可以根据本申请中的实施例采取替代配置来实现本申请中的申请。因此，本申请的实施例不限于申请中被精确地描述过的哪些实施例。

Claims (13)

1.一种碾压补锂装置，其特征在于，包括：碾压机构和提供锂源的供给机构；其中，所述碾压机构包括碾压辊和连接所述碾压辊的静电吸附器；所述供给机构与碾压辊连接，在所述静电吸附器的作用下，所述碾压辊表面吸附所述供给机构提供的锂源，以在碾压极片时使所述碾压辊表面吸附的锂源嵌入所述极片。
2.根据权利要求1所述的碾压补锂装置，其特征在于，所述碾压辊有两个，上下布置，用于分别碾压所述极片的两个表面。
3.根据权利要求1所述的碾压补锂装置，其特征在于，所述供给机构包括：依次连接的锂源收容罐、锂源传输管道和锂源箱，所述锂源收容罐存放的锂源粉末通过所述锂源传输管道传输至所述锂源箱，所述锂源箱与所述碾压辊表面连接，且所述锂源箱的数量与所述碾压辊的数量对应。
4.根据权利要求3所述的碾压补锂装置，其特征在于，所述锂源箱为封闭式，其具有刮粉结构，所述刮粉结构包括第一挡板和第二挡板，所述第一挡板用于将经过碾压后的碾压辊表面残留的锂源粉末刮除，所述第二挡板用于均匀碾压辊表面吸附的锂源粉末厚度。
5.根据权利要求4所述的碾压补锂装置，其特征在于，所述第二挡板与碾压辊的缝隙间距为0～1μm。
6.根据权利要求1所述的碾压补锂装置，其特征在于，所述静电吸附器的正极连接碾压辊，负极连接大地；所述静电吸附器的输出电压为8kV～30kV。
7.根据权利要求3所述的碾压补锂装置，其特征在于，还包括：封闭箱，所述碾压机构和所述锂源箱置于所述封闭箱内。
8.根据权利要求1至7任一项所述的碾压补锂装置，其特征在于，还包括：传输机构，用于将所述极片传输至所述碾压机构。
9.一种碾压补锂方法，其特征在于，包括：采用权利要求1至8任一项所述的碾压补锂装置对极片进行碾压，以在碾压时将锂源嵌入所述极片。
10.根据权利要求9所述的碾压补锂方法，其特征在于，所述极片为正极极片，所述正极极片的材料包含钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、三元材料和富锂锰基材料中的一种或几种组合。
11.根据权利要求9所述的碾压补锂方法，其特征在于，所述极片为负极极片，所述负极极片的材料包含石墨系材料、硅系材料、锡系材料、钛酸锂和二维材料石墨烯材料中的一种或几种组合。
12.根据权利要求9所述的碾压补锂方法，其特征在于，所述锂源包含稳定化锂金属粉末、硅化锂粉和富锂化合物中的一种或几种组合的锂复合材料；锂源粉末颗粒的直径范围为0.01μm～1μm。
13.根据权利要求9所述的碾压补锂方法，其特征在于，所述碾压辊的碾压压力为200t～500t。
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