CN111826596A - 一种卷绕系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卷绕系统及其使用方法，该卷绕系统包括：包括惰性环境单元及设于惰性环境单元内的卷绕单元，惰性环境单元包括主体仓、进出料仓及惰性气体存储罐，卷绕单元设于主体仓内，惰性气体存储罐与主体仓连通，主体仓内设有加热容器；卷绕单元包括固定于卷绕基底上的卷绕轴、转动轴、牵引轴；通过加热容器将活性金属熔融为液态，再通过卷绕单元将复合组分通过牵引和提拉经过液态活性金属内后再冷却，形成金属复合材料，经过卷绕得到具有卷绕结构的活性金属复合薄片。利用该卷绕系统得到的活性金属含量高的金属复合薄片，将其应用于金属电池的电极材料时，既能保持金属锂或钠电极的高容量的优点，还能够抑制枝晶生长并控制金属体积膨胀。

Description

一种卷绕系统及其使用方法
技术领域
本发明属于机械加工设备领域，具体涉及一种卷绕系统及其使用方法。
背景技术
近年来随着移动设备、车辆电气化和电网存储、大数据信息传输的快速发展，对高能量密度电池的需求稳步增长。在现有的储能体系中，应用最广泛且能量密度最高的锂离子电池已经难以满足应用的需求。金属电池体系即使用电极电位较负的金属如锂、钠、锌、镁、铝、汞、铁等作负极的电池体系。其中金属锂具有最高的比容量(3860mAh/g)和最低的电化学势(-3.04V)，金属锂电池有望成为下一代高能量密度的电池体系。此外金属钠电池与金属锌电池由于资源丰富也具有非常广阔的应用前景。
但是金属锂、钠、锌用于电池系统中的电极材料时，都存在着同样的问题，即：(1)在反复充放电的过程中，在金属界面位置不均匀沉积形成枝晶，随着枝晶的生长，有可能刺破隔膜形成电池短路导致安全问题。(2)由于金属自身无骨架的结构特点，在充放电的过程中，体积无限膨胀造成电极表面的固体电解质膜(SEI膜)破裂，严重破坏电极的稳定性，导致库伦效率降低，循环寿命衰减。
现有技术中为了解决枝晶生长的问题，通过在金属电极表面沉积氧化物钝化层(Al2O3)或者添加功能离子添加剂实现金属均匀沉积从而抑制枝晶的生长。还有研究者提出增强隔膜的机械强度，或者采用固态电解质封装避免枝晶刺穿带来的安全问题。针对金属的体积膨胀问题的解决思路，主要是将金属沉积在多孔三维金属网或者碳材料上，形成金属复合电极，这种方法会降低电极的能量密度，同时制备方法较复杂。如何抑制金属负极枝晶生长同时解决体积膨胀的问题，是金属电池体系亟待解决的问题，对于未来的电化学储能发展具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服金属锂、钠和锌作为金属电池的电极材料时，在充放电的过程中出现枝晶生长以及体积膨胀导致电池性能降低甚至安全隐患的问题，本发明提供了一种卷绕系统及其使用方法，以用于制备具有高容量、高倍率和循环稳定性的活性金属复合薄片。
本发明采用如下的技术方案：
一种卷绕系统，包括惰性环境单元及容设于所述惰性环境单元内的卷绕单元，所述惰性环境单元包括主体仓、进出料仓及惰性气体存储罐，所述卷绕单元设于主体仓内，所述惰性气体存储罐通过管路与主体仓连通，所述主体仓内设有用于加热活性金属至熔融状态的加热容器；所述卷绕单元包括分别固定于卷绕基底上的卷绕轴、转动轴、牵引轴。
进一步地，其中所述惰性环境单元还包括用于泵入惰性气体的真空泵，所述真空泵通过管路分别与主体仓与进出料仓连接。
进一步地，其中所述惰性环境单元为下沉式的空间。
进一步地，其中所述主体仓与进出料仓间设有第一仓门，所述进出料仓在与第一仓门相对的一侧设有第二仓门。
进一步地，其中所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于使液态活性金属快速固化的冷却单元，所述冷却单元包括冷却设备；所述冷却设备为冷却设备或风机。
进一步地，其中所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于在活性金属复合材料进行卷绕之前将其进行进一步辊压的紧压辊。
进一步地，其中所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于将复合组分进行表面改性的表面改性单元。
进一步地，其中所述表面改性单元选自加热设备、喷涂设备、蒸镀设备、电镀设备、溅射设备、化学反应装置、液相化学沉积或气相化学沉积装置中的至少一种，其通过改性在复合组分的表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料。
进一步地，其中所述复合组分的形态为带状或线状。
进一步地，其中当所述复合组分的形态为带状时，其厚度为3微米～50微米，宽度为10微米～0.5厘米。
进一步地，其中当所述复合组分的形态为线状时，其直径为1～500微米。
进一步地，其中所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于将线状的复合组分辊压成为带状的辊压单元。
一种利用上述卷绕系统制作活性金属复合薄片的方法，包括以下步骤：
1)将惰性环境单元内充满惰性气体，将卷绕的复合组分放置于转动轴上，并依次穿过牵引轴固定在卷绕轴上；
2)将活性金属放置入惰性环境单元中的加热容器中，升温至该活性金属熔融成液态；
3)通过卷绕轴的转动以0.1～100cm/s的速率牵引该复合组分进入液态的活性金属内部，继续以0.1～100cm/s的速率牵引和提拉，使该复合组分离开液态活性金属的表面，1～600S后，复合组分表面蘸覆的液态活性金属固化形成镀层(由于环境温度低于熔融温度，该复合组分表面镀层的液态活性金属立刻固化)，得到活性金属复合材料；
4)将该活性金属复合材料通过卷绕轴在垂直于卷绕轴(以卷绕轴为轴心)的平面中以100～5000r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的活性金属复合薄片。
进一步地，其中步骤3)中，当复合组分离开活性金属液面后，还包括冷却步骤；所述冷却步骤是通过冷却设备将环境温度降低至0～40℃；或者通过风机带走复合组分表面的液态金属的热量。
进一步地，其中该方法还可以在步骤3)和步骤4)之间包括步骤5)：将得到的活性金属复合材料通过紧压辊进行进一步的辊压，使得活性金属在复合组分表面能够更均匀地分布。
进一步地，其中在步骤3)中，所述复合组分进入液态的活性金属之前，还包括步骤6)：将复合组分送入表面改性单元进行表面改性。
进一步地，其中所述表面改性具体为：通过加热、喷涂、蒸镀、电镀、溅射、化学反应置换、液相化学沉积或气相化学沉积在复合组分表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料，其通过改性在复合组分的表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料。
进一步地，其中所述活性金属是指具有电化学储能体系中具有电化学活性的金属，包括锌、银或金；所述金属氧化物包括氧化锌、氧化铜、氧化铝、氧化铁或氧化锡；所述二维材料包括碳化钛、石墨烯、MXenes、氮化硼或黑磷。
进一步地，其中步骤1)中，所述的惰性气氛为氮气、氩气或氦气的一种或多种，优选氩气；步骤2)中，所述活性金属包括金属锂、钠和锌。
进一步地，其中步骤2)中，当活性金属为锂时，加热温度范围设定为180℃～1320℃之间，优选为180℃～600℃；当活性金属为钠时，加热温度范围设定为97℃～885℃之间，优选为97℃～600℃；当活性金属为锌时，加热温度范围设定为420℃～910℃，优选为500～600℃。
进一步地，其中当选用的所述复合组分为线状时，在步骤2)之前还包括将线状的材料通过辊压单元辊压成为带状的步骤。
进一步地，其中步骤3)具体为：通过卷绕轴的转动牵引复合组分以0.1～100cm/s的速率经过一牵引轴进入加热容器的内部(液态的活性金属内部)，再以0.1～100cm/s的速率经过牵引离开加热容器接触另一牵引轴，继续以0.1～100cm/s的速率牵引经过又一牵引轴后固定于卷绕轴上，通过卷绕轴的转动提供牵引和提拉力使复合组分经过加热处理或冷却处理或表面处理或辊压处理，带状复合组分在经过液态活性金属内部的过程中，表面镀上了液态活性金属材料。
进一步地，其中步骤4)中，根据卷绕的形状不同，制备得到的薄片垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等。
进一步地，其中所述活性金属复合薄片，包括卷绕结构，所述卷绕结构为垂直于卷绕轴的截面，所述卷绕轴所在的截面具有阵列结构，所述阵列结构包括相互连接的复合组分及活性金属，且所述复合组分及活性金属在所述截面上为相间排列，在所述阵列结构中活性金属的宽度为10纳米～500微米之间，所述活性金属在复合薄片中的质量占比为50％～99％。所述活性金属薄片的厚度为10微米～500微米。
本发明的有益效果在于，使用该系统制备金属复合薄片的过程简单，解决了金属锂、钠、锌难以复合加工的技术问题，适宜于工业化生产，并且通过该方法得到的复合金属薄片，其活性金属含量高且具有阵列结构，将其应用于金属电池的电极材料时，既能够保持金属锂、钠、锌电极的高容量的优点，还能够抑制枝晶生长并控制金属体积膨胀，表现出优异的高容量、高倍率、长寿命及安全性，在金属电池体系中有极大的应用前景，能够广泛地应用于手机、电动工具、电动交通工具、可移动电子设备、储能系统等领域。
附图说明
图1为本发明实施例的一种卷绕系统组成示意图；
图2为本发明实施例的含有冷却单元的卷绕系统组成示意图；
图3为本发明实施例的含有冷却单元和紧压辊的卷绕系统组成示意图；
图4为本发明实施例的含有冷却单元、紧压辊和表面改性单元的卷绕系统组成示意图；
图5为本发明实施例的含有冷却单元、紧压辊、表面改性单元和辊压单元的卷绕系统组成示意图；
图6为本发明实施例的含有辊压单元的卷绕系统组成示意图；
图7为本发明实施例的下沉式惰性气体环境中卷绕系统组成示意图；
图8为本发明卷绕系统制备的活性金属复合电极薄片垂直于卷绕轴平面示意图(方形)；
图9为本发明卷绕系统制备的活性金属复合电极薄片垂直于卷绕轴平面示意图(圆形)；
图10为本发明卷绕系统制备的活性金属复合电极薄片截面阵列结构示意图；
其中的附图标记为：
1-带状复合组分；10-线状复合组分；11-辊压单元；12-活性金属；
2-复合薄片；
3-卷绕轴；31-转动轴；
4-加热容器；
51～57-牵引轴1～7；
6-惰性环境单元；61-主体仓；62-进出料仓；63-真空泵；64-惰性气体存储罐；65-第二仓门；66-第一仓门；
7-冷却单元；71-冷却设备；72风机；
8-紧压辊；
9-表面改性单元。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1-7所示，一种卷绕系统，包括惰性环境单元6及容设于所述惰性环境单元6内的卷绕单元，所述惰性环境单元6包括主体仓61、进出料仓62及惰性气体存储罐64，所述卷绕单元设于主体仓61内，所述惰性气体存储罐64通过管路与主体仓61连通，所述主体仓61内设有用于加热活性金属12至熔融状态的加热容器4；所述卷绕单元包括分别固定于卷绕基底15上的卷绕轴3、转动轴31、牵引轴51、52、53。
具体实施时，所述惰性环境单元还可以包括用于泵入惰性气体的真空泵63，所述真空泵63通过管路分别与主体仓61与进出料仓62连接。
具体实施时，所述惰性环境单元6可以为下沉式的空间。
具体实施时，所述主体仓61与进出料仓62间可以设有第一仓门65，所述进出料仓在与第一仓门65相对的一侧可以设有第二仓门66。
具体实施时，所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓62内、用于使液态活性金属12快速固化的冷却单元7，所述冷却单元7包括冷却设备71；所述冷却设1备7可以为冷却设备或风机。
具体实施时，所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓62内、用于在活性金属复合材料进行卷绕之前将其进行进一步辊压的紧压辊8。
具体实施时，所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓62内、用于将复合组分进行表面改性的表面改性单元9；所述表面改性单元9选自加热设备、喷涂设备、蒸镀设备、电镀设备、溅射设备、化学反应装置、液相化学沉积或气相化学沉积装置中的至少一种，其通过改性在复合组分的表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料。
具体实施时，所述复合组分的形态为带状或线状；当所述复合组分的形态为带状时，其厚度为3微米～50微米，宽度为10微米～0.5厘米；当所述复合组分的形态为线状时，其直径为1～500微米。
具体实施时，所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓62内、用于将线状的复合组分辊压成为带状的辊压单元11。
一种利用上述卷绕系统制作活性金属复合薄片2的方法，包括以下步骤：
1)将惰性环境单元6内充满惰性气体，将卷绕的复合组分放置于转动轴上，并依次穿过牵引轴固定在卷绕轴上；
2)将活性金属放置入惰性环境单元6中的加热容器4中，升温至该活性金属12熔融成液态(关闭第一仓门66，打开第二仓门65将活性金属12放入进出料仓62，开启真空泵63，将进出料仓62抽真空，至真空度降为0，开启惰性气体存储罐64，使进出料仓62充满惰性气体，重复数次后，当进出料仓62充满惰性气体时，开启第一仓门66，将活性金属12放置入主体仓61内，关闭第二仓门65)；
3)通过卷绕轴的转动以0.1～100cm/s的速率牵引该复合组分进入液态的活性金属内部，继续以0.1～100cm/s的速率牵引和提拉，使该复合组分离开液态活性金属的表面，1～600S后，复合组分表面蘸覆的液态活性金属固化形成镀层(由于环境温度低于熔融温度，该复合组分表面镀层的液态活性金属立刻固化)，得到活性金属复合材料；
4)将该活性金属复合材料通过卷绕轴在垂直于卷绕轴(以卷绕轴为轴心)的平面中以100～5000r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的活性金属复合薄片2。根据卷绕的形状不同，制备得到的活性金属复合薄片2垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。所述活性金属复合薄片2，包括卷绕结构，所述卷绕结构为垂直于卷绕轴的截面，所述卷绕轴所在的截面具有阵列结构，所述阵列结构包括相互连接的带状复合组分1及活性金属12，且所述带状复合组分1及活性金属12在所述截面上为相间排列，在所述阵列结构中活性金属12的宽度w为10纳米～500微米之间，所述活性金属12在复合薄片中的质量占比为50％～99％。所述活性金属12薄片的厚度d为10微米～500微米。
具体实施时，其中步骤3)中，当复合组分离开活性金属液面后，还包括冷却步骤；所述冷却步骤是通过冷却设备71将环境温度降低至0～40℃；或者通过风机带走复合组分表面的液态金属的热量。
具体实施时，该方法还可以在步骤3)和步骤4)之间包括步骤5)：将得到的活性金属复合材料通过紧压辊进行进一步的辊压，使得活性金属在复合组分表面能够更均匀地分布。
具体实施时，其中在步骤3)中，所述复合组分进入液态的活性金属之前，还包括步骤6)：将复合组分送入表面改性单元9进行表面改性。
具体实施时，所述表面改性具体为：通过加热、喷涂、蒸镀、电镀、溅射、化学反应置换、液相化学沉积或气相化学沉积在复合组分表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料，其通过改性在复合组分的表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料。
具体实施时，所述活性金属是指具有电化学储能体系中具有电化学活性的金属，包括锌、银或金；所述金属氧化物包括氧化锌、氧化铜、氧化铝、氧化铁或氧化锡；所述二维材料包括碳化钛、石墨烯、MXenes、氮化硼或黑磷。
具体实施时，其中步骤1)中，所述的惰性气氛为氮气、氩气或氦气的一种或多种，优选氩气；步骤2)中，所述活性金属包括金属锂、钠和锌。
具体实施时，其中步骤2)中，当活性金属为锂时，加热温度范围设定为180℃～1320℃之间，优选为180℃～600℃；当活性金属为钠时，加热温度范围设定为97℃～885℃之间，优选为97℃～600℃；当活性金属为锌时，加热温度范围设定为420℃～910℃，优选为500～600℃。
具体实施时，其中当选用的所述复合组分为线状时，在步骤2)之前还包括将线状的材料通过辊压单元辊压成为带状的步骤。
具体实施时，其中步骤3)具体为：通过卷绕轴的转动牵引复合组分以0.1～100cm/s的速率经过一牵引轴进入加热容器4的内部(液态的活性金属内部)，再以0.1～100cm/s的速率经过牵引离开加热容器接触另一牵引轴，继续以0.1～100cm/s的速率牵引经过又一牵引轴后固定于卷绕轴上，通过卷绕轴的转动提供牵引和提拉力使复合组分经过加热处理或冷却处理或表面处理或辊压处理，带状复合组分在经过液态活性金属内部的过程中，表面镀上了液态活性金属材料。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种卷绕系统，包括惰性环境单元6及容设于所述惰性环境单元6内的卷绕单元，所述惰性环境单元6包括主体仓61、进出料仓62、真空泵63及惰性气体存储罐64，所述卷绕单元设于主体仓61内，所述主体仓61与进出料仓62间设有第一仓门66，所述进出料仓62在与仓门66相对的一侧设有第二仓门65，所述真空泵63通过管路分别与主体仓61与进出料仓62连接，所述惰性气体存储罐64通过管路与主体仓61连通，所述主体仓61内设有用于加热活性金属至熔融状态的加热容器4；所述卷绕单元包括分别固定于卷绕基底15上的卷绕轴3、转动轴31、牵引轴51、52、53。
选用铜带为带状复合组分1，金属锂为活性金属12，氩气为惰性气体。其中铜带的厚度为5～30微米，宽度为80～200微米。
1)将惰性环境单元6内充满惰性气体(氩气)，将铜带放置于转动轴31上，并牵引铜带依次穿过牵引轴51、52、53后固定在卷绕轴3上(牵引铜带经过牵引轴51进入加热容器4的内部，再经过牵引离开加热容器4接触牵引轴52，继续牵引经过牵引轴53后固定于卷绕轴3上)。
2)将活性金属锂放置入惰性环境单元6中的加热容器4中，升温至300～500℃直至金属锂熔融成液态。
3)通过卷绕轴3的转动牵引铜带以0.5～2cm/s的速率缓慢地进入液态金属锂的内部，继续以0.5～2cm/s的速率牵引和提拉，使该铜带11离开液态金属锂的表面，通过牵引和提拉(0.5～2cm/s)使铜带11离开加热容器4中的液态金属锂后，由于环境温度低于熔融温度，铜带表面蘸覆的镀层的金属锂1～10S后固化形成镀层，得到带状金属锂/铜复合材料。
4)将该带状金属锂/铜复合材料通过卷绕轴3在垂直于卷绕轴的平面中以2000r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的金属锂/铜复合薄片(活性金属复合薄片2)。根据卷绕的形状不同，制备得到的金属锂/铜复合薄片垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓61内的冷却单元7，所述冷却单元7包括冷却设备71，如图2所示。
选用铜带为带状复合组分1，金属钠为活性金属12，氩气为惰性气体。其中铜带的厚度为5～20微米，宽度为80～500微米。
1)将惰性环境单元6内充满惰性气体(氩气)，将铜带放置于转动轴31上，并牵引铜带依次穿过牵引轴51、52、53固定在卷绕轴3上(牵引铜带经过牵引轴51进入加热容器4的内部，再经过牵引离开加热容器4接触牵引轴52，继续牵引经过牵引轴53后固定于卷绕轴3上)。
2)将活性金属钠放置入惰性环境单元61中的加热容器4中，升温至300～600℃直至金属钠熔融成液态。
3)通过卷绕轴3的转动牵引铜带以0.1～2cm/s的速率缓慢地进入液态金属钠内部，继续以0.1～2cm/s的速率牵引和提拉，使该铜带离开液态金属钠表面，通过牵引和提拉的作用，当铜带离开加热容器4中的液态金属钠后，进入冷却单元7，冷却设备71将冷却单元7的环境温度保持在10～30℃，由于环境温度低于熔融温度，铜带表面蘸覆的液态金属钠1～10S后固化形成镀层，得到带状金属钠/铜复合材料。
4)将带状金属钠/铜复合材料通过卷绕轴3在垂直于卷绕轴的平面中以400r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的金属钠/铜复合薄片(活性金属复合薄片2)。根据卷绕的形状不同，制备得到的金属钠/铜复合薄片垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓61内的冷却单元7和紧压辊8，所述冷却单元7包括冷却设备71，如图3所示。
选用铝带为带状复合组分1，金属锌为活性金属12，氩气为惰性气体。其中铝带的厚度为3～20微米，宽度为80～500微米。
1)将惰性环境单元6内充满惰性气体(氩气)，将铝带放置于转动轴31上，并牵引铝带依次穿过牵引轴51、52、53和紧压辊8，固定在卷绕轴3上(牵引铝带经过牵引轴51进入加热容器4的内部，再经过牵引离开加热容器4接触牵引轴52，继续牵引经过牵引轴53后进入紧压辊8，之后离开紧压辊8固定于卷绕轴3上)。
2)将活性金属锌放置入惰性环境单元61中的加热容器4中，升温至500～700℃直至金属锌熔融成液态。
3)通过卷绕轴3的转动牵引铝带以0.1～2cm/s的速率缓慢地进入液态金属锌内部，继续以0.1～2cm/s的速率牵引和提拉，使该铝带离开液态金属锌表面，通过牵引和提拉的作用，当铝带离开加热容器4中的液态金属锌后，进入冷却单元7，冷却设备71将冷却单元7的环境温度保持在10～30℃，由于环境温度低于熔融温度，铝带表面蘸覆的液态金属锌1～10S后快速固化形成镀层，得到带状金属锌/铝复合材料。
4)将带状金属锌/铝复合材料经过紧压辊8辊压之后，再通过卷绕轴3在垂直于卷绕轴的平面中以800r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的金属锌/铝复合薄片(活性金属复合薄片2)。根据卷绕的形状不同，制备得到的金属锌/铝复合薄片2垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓61内的冷却单元7、紧压辊8和表面改性单元9，所述冷却单元7包括冷却设备71，所述卷绕单元还包括分别固定于卷绕基底15上的牵引轴54、55，如图4所示。
选用碳纤维带为带状复合组分1，金属钠为活性金属12，氩气为惰性气体。其中碳纤维带的厚度为3～20微米，宽度为80～500微米。
1)将惰性环境单元6内充满惰性气体(氩气)，将碳纤维带放置于转动轴31上，并牵引碳纤维带依次穿过牵引轴54、55、51、52、53固定在卷绕轴3上(牵引碳纤维带经过牵引轴51进入加热容器4的内部，再经过牵引离开加热容器4接触牵引轴52，继续牵引经过牵引轴53后固定于卷绕轴3上)。
2)将活性金属钠放置入惰性环境单元61中的加热容器4中，升温至300～600℃直至金属钠熔融成液态。
3)通过卷绕轴3的转动牵引碳纤维带以0.1～2cm/s的速率缓慢地进入表面改性单元9的内部，通过喷涂在碳纤维带的表面覆盖一层金属锌(厚度1～500nm)。
4)继续以0.1～2cm/s的速率牵引，表面镀层的碳纤维带进入加热容器4中的液态金属钠内部，再继续以0.1～2cm/s的速率缓慢牵引和提拉，使该碳纤维带离开液态金属钠表面，通过牵引和提拉的作用，当碳纤维带离开加热容器4中的液态金属钠后，进入冷却单元7，冷却风机72，由于风机吹动带走热量的效应，碳纤维带的表面蘸覆的液态金属钠1～10S后快速固化形成镀层，得到带状金属钠/碳纤维复合材料。
5)将带状金属钠/碳纤维复合材料通过卷绕轴3在垂直于卷绕轴的平面中以1000r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的金属钠/碳纤维复合薄片(活性金属复合薄片2)。根据卷绕的形状不同，制备得到的金属钠/碳纤维复合薄片垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓61内的冷却单元7、紧压辊8和表面改性单元9和辊压单元11，所述冷却单元7包括冷却设备71，所述卷绕单元还包括分别固定于卷绕基底15上的牵引轴54、55、56、57，如图5所示。
选用铜丝为线状复合组分10，金属锂为活性金属12，氩气为惰性气体。其中铜丝的直径10～500微米。
1)将惰性环境单元6内充满惰性气体(氩气)，将铜丝放置于转动轴31上，并以0.1～2cm/s的速率牵引铜丝依次穿过牵引轴56进入辊压单元11，通过辊压作用使得铜丝被辊压为厚度为3～50微米的铜带；
2)将活性金属锂放置入惰性环境单元61中的加热容器4中，升温至300～500℃直至金属锂熔融成液态。
3)将通过辊压单元11辊压后的铜带以0.1～2cm/s的速率牵引经过牵引轴57后，进入表面改性单元9(继续牵引经过牵引轴54、55)，通过蒸镀或喷涂方法，在铜带表面沉积一层金属锌或银(厚度1～500nm)。
4)通过卷绕轴3的转动牵引表面处理后的铜带以0.1～2cm/s的速率缓慢地进入液态金属锂内部(牵引铜带经过牵引轴51进入加热容器4的内部，再经过牵引离开加热容器4接触牵引轴52，继续牵引经过牵引轴53后固定于卷绕轴3上)，继续以0.1～2cm/s的速率牵引和提拉，使得铜带离开液态金属锂表面，通过牵引和提拉的作用，当铜带离开加热容器4中的液态金属锂后，进入冷却单元7，冷却设备71将冷却单元7的环境温度保持在10～30℃，由于环境温度低于熔融温度，铜带表面蘸覆的液态金属锂1～10S后快速固化形成镀层，得到带状金属锂/铜复合材料。
5)带状金属锂/铜复合材料在经过紧压辊8的作用后，通过卷绕轴3在垂直于卷绕轴的以500r/min的转速平面中卷绕，以得到具有卷绕结构的金属锂/铜复合薄片(活性金属复合薄片2)。根据卷绕的形状不同，制备得到的金属锂/铜复合薄片垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓61内的辊压单元11，所述卷绕单元还包括分别固定于卷绕基底15上的牵引轴54、55、56、57，如图6所示。
选用铜丝为线状复合组分10，金属锂为活性金属12，氩气为惰性气体。其中铜丝的直径为2～200微米。
1)将惰性环境单元6内充满惰性气体氩气，将复合组分铜丝放置于转动轴31上，并牵引铜丝以0.1～2cm/s的速率依次穿过牵引轴56进入辊压单元11，通过辊压作用使得铜丝被辊压为厚度在3～50微米的铜带。
2)将活性金属锂放置入惰性环境单元61中的加热容器4中，升温至300～500℃直至金属钠熔融成液态。
3)通过卷绕轴3的转动牵引表面处理后的铜带以0.1～2cm/s的速率缓慢地进入液态金属锂内部(牵引铜带经过牵引轴51进入加热容器4的内部，再经过牵引离开加热容器4接触牵引轴52，继续牵引经过牵引轴53后固定于卷绕轴3上)，继续以0.1～2cm/s的速率牵引和提拉，使得铜带离开液态金属锂表面，通过牵引和提拉的作用，当铜带离开加热容器4中的液态金属锂后，由于环境温度低于熔融温度，铜带表面蘸覆的液态金属锂1～10S后固化形成镀层，得到带状金属锂/铜复合材料。
4)将带状金属锂/铜复合材料通过卷绕轴3在垂直于卷绕轴的平面中以700r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的金属锂/铜复合薄片(活性金属复合薄片2)。根据卷绕的形状不同，制备得到的金属锂/铜复合薄片垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的惰性环境单元6为下沉式的空间(沉入地下)，还包括容设于所述惰性环境单元6的主体仓61内的冷却单元7和紧压辊8，所述冷却单元7包括冷却设备71，且本实施例不包括真空泵63，如图7所示。
选用铜带为带状复合组分1，金属钠为活性金属，氦气为惰性气体。其中铜带的厚度为5～20微米，宽度为80～500微米。本实施例利用惰性气体的质量比空气高的特性，充入下沉空间的内部，以获得惰性气体环境。
1)将惰性环境单元61内充满惰性气体(氦气)，将铜带放置于转动轴31上，并牵引铜带依次穿过牵引轴51、52、53、紧压辊8后固定在卷绕轴3上(牵引铜带经过牵引轴51进入加热容器4的内部，再经过牵引离开加热容器4接触牵引轴52，继续牵引经过牵引轴53后进入紧压辊8后，之后离开紧压辊8固定于卷绕轴3上)。
2)将活性金属钠放置入惰性环境单元61中的加热容器4中，升温至300～600℃直至金属钠熔融成液态。
3)通过卷绕轴3的转动牵引铜带以0.1～2cm/s的速率缓慢地进入液态金属钠内部，继续以0.1～2cm/s的速率牵引和提拉，铜带离开液态金属钠表面，通过牵引和提拉的作用，当铜带离开加热容器4中的液态金属钠后，进入冷却单元7，有冷却设备71将冷却单元7的环境温度保持在10～30℃，由于环境温度低于熔融温度，铜带表面蘸覆的液态金属钠1～10S后快速固化形成镀层，得到形成带状金属钠/铜复合材料。
4)将带状金属钠/铜复合材料通过卷绕轴3在垂直于卷绕轴的平面中以500r/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的金属钠/铜复合薄片(活性金属复合薄片2)。根据卷绕的形状不同，制备得到的金属钠/铜复合薄片垂直于卷绕轴的平面的形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、椭圆形等，见图8-图10。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (19)

1.一种卷绕系统，其特征在于，包括惰性环境单元及容设于所述惰性环境单元内的卷绕单元，所述惰性环境单元包括主体仓、进出料仓及惰性气体存储罐，所述卷绕单元设于主体仓内，所述惰性气体存储罐通过管路与主体仓连通，所述主体仓内设有用于加热活性金属至熔融状态的加热容器；所述卷绕单元包括分别固定于卷绕基底上的卷绕轴、转动轴、牵引轴。
2.如权利要求1所述的卷绕系统，其特征在于，所述惰性环境单元为下沉式的空间。
3.如权利要求1或2所述的卷绕系统，其特征在于，还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于使液态活性金属快速固化的冷却单元，所述冷却单元包括冷却设备；所述冷却设备为冷却设备或风机。
4.如权利要求3所述的卷绕系统，其特征在于，还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于在活性金属复合材料进行卷绕之前将其进行进一步辊压的紧压辊。
5.如权利要求4所述的卷绕系统，其特征在于，还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于将复合组分进行表面改性的表面改性单元。
6.如权利要求5所述的卷绕系统，其特征在于，所述表面改性单元选自加热设备、喷涂设备、蒸镀设备、电镀设备、溅射设备、化学反应装置、液相化学沉积或气相化学沉积装置中的至少一种，其通过改性在复合组分的表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料。
7.如权利要求1或2所述的卷绕系统，其特征在于，所述复合组分的形态为带状或线状。
8.如权利要求7所述的卷绕系统，其特征在于，当所述复合组分的形态为带状时，其厚度为3微米～50微米，宽度为10微米～0.5厘米。
9.如权利要求7所述的卷绕系统，其特征在于，当所述复合组分的形态为线状时，其直径为1～500微米。
10.如权利要求9所述的卷绕系统，其特征在于，还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于将线状的复合组分辊压成为带状的辊压单元。
11.一种利用权利要求1-10任一项所述的卷绕系统制作活性金属复合薄片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将惰性环境单元内充满惰性气体，将卷绕的复合组分放置于转动轴上，并依次穿过牵引轴固定在卷绕轴上；
2)将活性金属放置入惰性环境单元中的加热容器中，升温至该活性金属熔融成液态；
3)通过卷绕轴的转动以0.1～100cm/s的速率牵引该复合组分进入液态的活性金属内部，继续以0.1～100cm/s的速率牵引和提拉，使该复合组分离开液态活性金属的表面，1～600S后，复合组分表面蘸覆的液态活性金属固化形成镀层，得到活性金属复合材料；
4)将该活性金属复合材料通过卷绕轴在垂直于卷绕轴的平面中以100～5000转/min的转速卷绕，以得到具有卷绕结构的活性金属复合薄片。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤3)中，当复合组分离开活性金属液面后，还包括冷却步骤；所述冷却步骤是通过冷却设备将环境温度降低至0～40℃；或者通过风机带走复合组分表面的液态金属的热量。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还在步骤3)和步骤4)之间包括步骤5)：将得到的活性金属复合材料通过紧压辊进行进一步的辊压。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤3)中，所述复合组分进入液态的活性金属之前，还包括步骤6)：将复合组分送入表面改性单元进行表面改性。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述表面改性具体为：通过加热、喷涂、蒸镀、电镀、溅射、化学反应置换、液相化学沉积或气相化学沉积在复合组分表面沉积一层金属、金属氧化物或二维材料。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述金属材料包括锌、银或金；所述金属氧化物包括氧化锌、氧化铜、氧化铝、氧化铁或氧化锡；所述二维材料包括碳化钛、石墨烯、MXenes、氮化硼或黑磷。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的惰性气氛为氮气、氩气或氦气的一种或多种；步骤2)中，所述活性金属包括金属锂、钠和锌。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，步骤2)中，当活性金属为锂时，加热温度范围设定为180℃～1320℃之间；当活性金属为钠时，加热温度范围设定为97℃～885℃之间；当活性金属为锌时，加热温度范围设定为420℃～910℃。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，当选用的所述复合组分为线状时，在步骤2)之前还包括将线状的材料通过辊压单元辊压成为带状的步骤。
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