CN112038567A - 一种电极的连续生产装置及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电极的连续生产装置及生产工艺，电极材料的前驱体浆料在衬底材料上依次经过自动涂膜机、干燥机、辊压机、加热炉，分别对应涂覆、干燥、压延、热处理工艺，使浆料涂覆、电极干燥、电极压延工艺在同一流水线完成。通过生产线自动化，提高电极制备的效率，降低成本，保证制备电极质量一致性，实现电极的大规模、连续化生产。同时，对于需要热处理的电极材料，合理设计热处理工艺，无需额外添加剂及额外的电极制备步骤，使得整个电极制备工艺简单高效。

Description

一种电极的连续生产装置及其生产工艺
技术领域
本发明涉及一种电极的连续生产装置及其生产方法。
背景技术
近年来，随着电动汽车和无人机的快速发展，电化学储能电池作为最适合的动力源愈发引人注目。因此，人们开始致力于通过各种手段来降低电池的制造成本，一方面，优化锂离子电池的制造工艺，美国能源部计划十年内将锂离子电池成本降至$80/kWh；另一方面，开发低成本的新型电池，如钾离子电池、钠离子电池和锌离子电池。其中，改善电极制备工艺是降低成本，实现高效率、大规模生产的重要一环。
传统的电池电极制备工艺包括：
1）将正负极活性物质、导电添加剂、粘结剂、溶剂混合均匀制得电极浆料；
2）将浆料涂覆在集流体上（涂覆方法包括刮涂、喷涂、辊涂或刷涂）；
3）干燥去除溶剂（干燥方法包括自然晾干、烘干、真空干燥）；
4）通过辊压机将干燥后的电极压延至所需的厚度；
5）电极切割，焊接引流体（正极为铝带，负极为铜带），得到最终电极。
传统电极制备工艺中浆料的涂覆、电极的干燥、电极的压延过程不连续，工序间的衔接、流转需要人工干预，不能实现连续生产，劳动强度较大，且不能保证电极质量的一致性。另外，传统电极制备需要额外添加导电剂和粘结剂，步骤繁琐，降低有效容量。除此之外，对于目前许多电极材料，如石墨负极、硅负极、磷酸铁锂正极、三元正极，都存在不足之处，研究者已经发现将电极材料与炭材料（如生物质炭、沥青基炭、树脂基炭）复合，可以显著改善材料性能，但是，在电极制备过程前需要先进行炭前驱体的热处理过程，先制备好材料，再制成电极，一方面，极大提高了工艺的复杂度，降低了生产效率，难以实现大规模生产；另一方面，电极制备过程中混合、研磨等过程会破坏材料结构，影响电化学性能。因此，设计一种高效、简单制备电极的连续生产工艺具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种电极的连续生产装置及其生产工艺，已解决上述现有电极制备工艺存在的问题，使浆料涂覆、电极干燥、电极压延工艺在同一流水线完成。通过生产线自动化，提高电极制备的效率，降低成本，保证制备电极质量一致性，实现电极的大规模、连续化生产。同时，对于需要热处理的电极材料，合理设计热处理工艺，无需额外添加剂及额外的电极制备步骤，使得整个电极制备工艺简单高效。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电极的连续生产装置，包括依次设置的放卷轴、涂膜机、干燥机、辊压机、加热炉和收卷轴，放卷轴上卷绕有电极的衬底材料，衬底材料的一端从放卷轴上牵出后依次经过涂膜机、干燥机、辊压机和加热炉后固定在收卷轴上，收卷轴转动后，带动衬底材料沿着涂膜机、干燥机、辊压机和加热炉向收卷轴移动并缠绕在收卷轴上。
所述涂膜机用于将前驱体浆料自动涂覆在衬底材料的单面或者双面上。
所述干燥机包括有用于衬底材料移动的通过通道，通道上方设置加热部件，加热部件上方设置有风机，风机将加热部件产生的热量均匀吹向下方的衬底材料，衬底材料的底部设置有转动速度可调的传动辊轴。
所述涂膜机与干燥机一体设置，衬底材料在涂覆前驱体浆料的同时进行干燥。
所述辊压机包括上下两个压辊，衬底材料从两个压辊之间的缝隙中穿过，衬底材料经过辊压机后被压延处理。
所述加热炉包括加热炉炉体、带通道的反应器和循环水夹套，反应器设置在加热炉炉体的内部并且反应器的两端伸出加热炉炉体，反应器伸出加热炉炉体两端的部分外罩有循环水夹套，两端的循环水夹套上分别设置有进膜口和出膜口，进膜口与出膜口采用硅胶软接口的方式与反应器密封连接，反应器中设置有气氛控制系统，确保电极在所需的气氛中加工。
本发明还提供了一种电极的连续生产工艺，包括如下步骤：
1）牵动衬底材料通过涂膜机，在衬底材料的单面或双面上自动涂覆前驱体浆料；
2）涂膜完成后的衬底材料进入到干燥机，在设定温度下按照设定时间进行干燥；
3）干燥完成的衬底材料通过辊压机压延后进入加热炉进行热处理，在设定温度下保温设定的时间；
4）将热处理完成的电极收卷处理完成电极生产。
所述衬底材料卷绕在位于涂膜机前面的放卷轴上，电极的收卷处理由收卷轴完成。
所述干燥机的温度设定为60~120℃，干燥时间为0.1~48 h；加热炉的升温速率为0.1~50 ℃/min；炭化温度为100~2800 ℃并保温0.1~10 h。
所述电极包括但不限于：硅/炭负极、石墨/炭负极、生物质炭负极、氧化锡/炭负极、氧化亚硅/炭负极、二硫化钼/炭负极或磷酸铁锂/炭正极中的一种，所述衬底材料包括但不限于：铜箔、铝箔、不锈钢、泡沫镍、碳纸、碳布、钛箔和玻璃中的一种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：电极材料的前驱体浆料在衬底材料上依次经过自动涂膜机、干燥机、辊压机、加热炉，分别对应涂覆、干燥、压延、热处理工艺。自动涂膜机和干燥机可设计为一体化设备，边涂覆边干燥；整个电极制备过程中，通过收卷轴的驱动力，具有高度自动化的特点，保证制备电极质量的一致性；对于需要热处理工艺的电极材料，热处理工艺与涂覆、干燥、压延工艺处于同一流水线，一步实现了电极材料的制备和电极的制备，保证电极材料结构不会遭到破坏，无需额外的电极制备步骤，制备的电极可直接用于电池的组装，整个电极制备工艺简单高效；由于炭前驱体本身的粘弹性和碳化后的高导电性，电极制备过程中不需要额外的导电剂和粘结剂，提高电池的能量密度。
附图说明
下面结合附图做进一步的说明：
图1为本发明所述生产装置的结构示意图；
图2为本发明所述加热炉的结构示意图；
图3为图2中加热炉的剖面结构示意图。
其中：放卷轴1、衬底材料2、浆料罐3、自动涂膜机4、干燥机5、辊压机6、加热炉7、加热炉炉体71、反应器72、进膜口74、循环水夹套75、出膜口77、导轮78、收卷轴8。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1给出了本发明所述的电极的连续生产装置，该生产装置包括依序搁置的放卷轴1、自动涂膜机4、干燥机5、辊压机6、加热炉7和收卷轴8，放卷轴1上搁置衬底材料原料卷，衬底材料2的一端从放卷轴1牵出后依次经过自动涂膜机4、干燥机5、辊压机6和加热炉7后被固定在收卷轴8上。收卷轴8的辊轴转动后，带动衬底材料2沿着自动涂膜机4、干燥机5、辊压机6和加热炉7向收卷轴移动并缠绕在收卷轴上。
作为优选，放卷轴1和自动涂膜机4之间设置位于衬底材料2上方的有浆料罐3，浆料罐3中配有自动搅拌装置，混合均匀的浆料直接转移到下方的衬底材料2上，然后进入到自动涂膜机4中，自动涂膜机4将浆料涂覆均匀。
所述涂膜机用于将前驱体浆料自动涂覆在衬底材料的单面或者双面上。浆料的涂覆方法包括但不限于：涂、喷涂、辊涂。
所述干燥机包括有用于衬底材料移动的通过通道，通道上方设置加热部件，加热部件上方设置有风机，风机将加热部件产生的热量均匀吹向下方的衬底材料，其中，加热部件的热源可以为热风蒸汽、电或红外线。衬底材料的底部设置有转动速度可调的传动辊轴，能够确保电极充分展开，避免因为干燥导致的电极收缩变形。通过通道的总长度为0.1-1米，所述涂膜机可与干燥机一体设置，衬底材料在涂覆前驱体浆料的同时进行干燥。
所述辊压机包括上下两个压辊，衬底材料从两个压辊之间的缝隙中穿过，衬底材料经过辊压机后被压延处理。
所述加热炉为连续式加热炉，总长度为0.1-20米，具体结构如图2-3所示，该加热炉包括加热炉炉体71、带通道的反应器72和循环水夹套75，反应器72设置在加热炉炉体71的内部并且反应器72的两端伸出加热炉炉体71，反应器72伸出加热炉炉体71两端的部分外罩有循环水夹套75，两端的循环水夹套75上分别设置有进膜口74和出膜口77，进膜口74与出膜口77采用硅胶软接口的方式与反应器72密封连接，避免空气进入。完成辊压的衬底材料从进膜口74进入到反应器72中，经导轮78的牵引，在反应器72的通道内反应后从出膜口77伸出。
循环水夹套75采用循环水对反应器72的两端降温，保证膜进入不被氧化，出加热区能快速冷却。反应器72中设置有气氛控制系统，保持炉腔内气压略大于外界，确保电极在所需的气氛（N2、NH3、Ar、CO2，且不限于上述气氛）中加工，加热炉炉体71采用电加热，采用多段程序控温，温度稳定、精准，内置导轮，确保电极充分展开，避免因热解导致电极收缩变形。
本发明还提供了一种电极的连续生产工艺，包括如下步骤：
1）牵动衬底材料通过涂膜机，在衬底材料的单面或双面上自动涂覆前驱体浆料；
2）涂膜完成后的衬底材料进入到干燥机，在设定温度下按照设定时间进行干燥；
3）干燥完成的衬底材料通过辊压机压延后进入加热炉进行热处理，在设定温度下保温设定的时间；
4）将热处理完成的电极收卷处理完成电极生产。
具体的采用前述装置进行连续生产的工艺包括如下步骤：
1）将衬底材料固定在放卷轴上；
2）牵引衬底材料依次穿过自动涂膜机、干燥机、辊压机、加热炉，直至收卷轴；
3）将前驱体浆料置于放卷轴和自动涂膜机之间的衬底材料位置；
4）打开自动涂膜机，驱动收卷轴进入干燥机，调节温度至设定值，干燥一定时间；
5）调节辊压机压力，驱动收卷轴进入加热炉，调节温度至设定值，保温一定时间；
6）热处理后的电极收至收卷轴。
所述干燥机的温度设定为60~120℃，干燥时间为0.1~48 h；加热炉的升温速率为0.1~50 ℃/min；炭化温度为100~2800 ℃并保温0.1~10 h。
所述电极包括但不限于：硅/炭负极、石墨/炭负极、生物质炭负极、氧化锡/炭负极、氧化亚硅/炭负极、二硫化钼/炭负极或磷酸铁锂/炭正极中的一种，所述衬底材料包括但不限于：铜箔、铝箔、不锈钢、泡沫镍、碳纸、碳布、钛箔和玻璃中的一种。
实施例1
本实施例制备硅/明胶基炭复合锂离子电池负极，将明胶溶于水中配制成透明的明胶溶液，将球磨后的硅粉加入明胶水溶液中混合均匀，制得浆料；将浆料置于放卷轴与自动涂膜机之间的衬底材料位置，衬底材料选用的是铜箔；打开自动涂膜机进行涂覆，驱动收卷轴进入干燥机进行干燥，调节干燥温度为60 °C，干燥时间为24 h；调节辊压机压力进行压延，驱动收卷轴进入加热炉进行热处理，氩气气氛条件下，以2 °C min-1的升温速率加热至450°C，保温1 h；热处理后的电极收至收卷轴。
实施例2
操作条件如同实施例1，不同之处在于选用的炭前驱体和电极干燥温度。采用聚偏氟乙烯作为炭前驱体，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，与球磨后的硅粉混合均匀，制得浆料；打开自动涂膜机进行涂覆，驱动收卷轴进入干燥机进行干燥，调节干燥温度为120 °C，干燥时间为24h；压延、热处理工艺后，将电极收至收卷轴。
实施例3
操作条件如同实施例1，不同之处在于选用的炭前驱体和电极热处理温度。采用沥青作为炭前驱体，与球磨后的硅粉混合均匀，制得浆料；涂覆、干燥、压延后，驱动收卷轴进入加热炉进行热处理，氩气气氛条件下，以4 °C min-1的升温速率加热至900 °C，保温1 h；热处理后的电极收至收卷轴。
实施例4
本实施例制备磷酸铁锂/明胶基炭复合锂离子电池正极，将明胶溶于水中配制成透明的明胶溶液，将商业磷酸铁锂加入明胶水溶液中混合均匀，制得浆料，后续工艺流程如同实施例1，不同之处在于衬底材料选用的是铝箔，经涂覆、干燥、压延、热处理工艺后，将电极收至收卷轴。
实施例5
本实施例制备二硫化钼/明胶基炭复合钾离子电池负极，将明胶溶于水中配制成透明的明胶溶液，将球磨后的二硫化钼加入明胶水溶液中混合均匀，制得浆料，后续工艺流程如同实施例1，经涂覆、干燥、压延、热处理工艺后，将电极收至收卷轴。
实施例6
本实施例制备氧化锰/明胶基炭复合锌离子电池正极，将明胶溶于水中配制成透明的明胶溶液，将氧化锰加入明胶水溶液中混合均匀，制得浆料，后续工艺流程如同实施例1，不同之处在于衬底材料选用的是钛箔，经涂覆、干燥、压延、热处理工艺后，将电极收至收卷轴。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种电极的连续生产装置，其特征在于，包括依次设置的放卷轴、涂膜机、干燥机、辊压机、加热炉和收卷轴，放卷轴上卷绕有电极的衬底材料，衬底材料的一端从放卷轴上牵出后依次经过涂膜机、干燥机、辊压机和加热炉后固定在收卷轴上，收卷轴转动后，带动衬底材料沿着涂膜机、干燥机、辊压机和加热炉向收卷轴移动并缠绕在收卷轴上。
2.如权利要求1所述的一种电极的连续生产装置，其特征在于，所述涂膜机用于将前驱体浆料自动涂覆在衬底材料的单面或者双面上。
3.如权利要求1所述的一种电极的连续生产装置，其特征在于，所述干燥机包括有用于衬底材料移动的通过通道，通道上方设置加热部件，加热部件上方设置有风机，风机将加热部件产生的热量均匀吹向下方的衬底材料，衬底材料的底部设置有转动速度可调的传动辊轴。
4.如权利要求1所述的一种电极的连续生产装置，其特征在于，所述涂膜机与干燥机一体设置，衬底材料在涂覆前驱体浆料的同时进行干燥。
5.如权利要求1所述的一种电极的连续生产装置，其特征在于，所述辊压机包括上下两个压辊，衬底材料从两个压辊之间的缝隙中穿过，衬底材料经过辊压机后被压延处理。
6.如权利要求1所述的一种电极的连续生产装置，其特征在于，所述加热炉包括加热炉炉体、带通道的反应器和循环水夹套，反应器设置在加热炉炉体的内部并且反应器的两端伸出加热炉炉体，反应器伸出加热炉炉体两端的部分外罩有循环水夹套，两端的循环水夹套上分别设置有进膜口和出膜口，进膜口与出膜口采用硅胶软接口的方式与反应器密封连接，反应器中设置有气氛控制系统，确保电极在所需的气氛中加工。
7.一种电极的连续生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1）牵动衬底材料通过涂膜机，在衬底材料的单面或双面上自动涂覆前驱体浆料；
2）涂膜完成后的衬底材料进入到干燥机，在设定温度下按照设定时间进行干燥；
3）干燥完成的衬底材料通过辊压机压延后进入加热炉进行热处理，在设定温度下保温设定的时间；
4）将热处理完成的电极收卷处理完成电极生产。
8.如权利要求7所述的一种电极的连续生产工艺，其特征在于，所述衬底材料卷绕在位于涂膜机前面的放卷轴上，电极的收卷处理由收卷轴完成。
9.如权利要求7所述的一种电极的连续生产工艺，其特征在于，所述干燥机的温度设定为60~120℃，干燥时间为0.1~48 h；加热炉的升温速率为0.1~50 ℃/min；炭化温度为100~2800 ℃并保温0.1~10 h。
10.如权利要求7所述的电极的连续生产工艺，其特征在于，所述电极包括但不限于：硅/炭负极、石墨/炭负极、生物质炭负极、氧化锡/炭负极、氧化亚硅/炭负极、二硫化钼/炭负极或磷酸铁锂/炭正极中的一种，所述衬底材料包括但不限于：铜箔、铝箔、不锈钢、泡沫镍、碳纸、碳布、钛箔和玻璃中的一种。
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