CN112038568A - 一种可控化负极预嵌锂的制备方法及连续化生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明设计储能器件制备领域，且公开了一种可控化负极预嵌锂连续化生产设备，包括电解槽，所述电解槽的内部填充有锂离子电解液，所述锂离子电解液的上方设置有保护气体氛围，所述锂离子电解液的内部设置有可循环使用锂带，所述可循环使用锂带的一端连接有负极施压点，所述可循环使用锂带的上方设置有负极片，所述负极片的一端连接有收卷装置，所述负极片的另一端连接有放卷装置，所述放卷装置与收卷装置之间设置有转动轴，所述转动轴浸没于锂离子电解液中；本专利公开的预嵌锂装置嵌锂时间短，负极片的嵌锂量得到精确控制，提供锂源的锂片可循环使用，操作简单，安全可行，实现工厂大规模生产。

Description

一种可控化负极预嵌锂的制备方法及连续化生产设备

技术领域

本发明设计储能器件制备领域，具体为一种可控化负极预嵌锂的制备方法及连续化生产设备。

背景技术

随着石油等不可再生能源的不断枯竭，汽车排放废气造成的大气污染日益严峻，迫切需求开发利用清洁新能源。其中，风能、太阳能等可再生能源受自然环境影响大，其电力输出具有不连续和不稳定性，需要寻求能量密度高、倍率性能好、循环寿命长的储能器件。同时，电动汽车、负荷平稳器、家用录像机、照相机、笔记本电脑、手机等3C领域设备的小型化和轻量化，也需要能量密度高、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和锂离子电池，广泛应用于电子设备、电动车、电动工具、后备电源等储能器件领域。超级电容器具有输出功率大、循环寿命长的优点，但存在能量密度低的问题；锂离子电池能量密度大、工作电压高、使用温度范围广及自放电少保存特性好的优点，使其作为便携式设备最适合的可充电电池，应用范围不断扩大，今后，随着移动设备的多样化，其重要性将会越来越大。因此，有必要进一步提高其能量密度等特性。

锂离子电池能量密度的提高，可以通过提高正负极活性物质克容量，开发高电压电极材料并研发配套的高电压电解液来实现。现在，这些领域已逐渐成熟，已逐渐开展应用，但电池首效低的问题，一直没有得到比较好的解决。锂离子电池首圈效率是指，在电池的首次充放电过程中，从正极脱出的锂离子向负极迁移，在此过程中，负极需要消耗一部分锂离子，形成表面钝化层等，造成容量不可逆的损失。另一部分锂离子可以在负极中可逆脱嵌，再次嵌入到正极中。可逆脱嵌的锂离子所占的量称为锂离子电池的首圈效率。锂电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、磷酸铁锂、镍钴锰等半电池，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。钴酸锂的首效一般达到94%以上，而磷酸铁锂的首效更高，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。

常用的锂离子电池负极碳类或硅类负极材料，其首效明显低于正极材料，而全电池的首次效率与正负极材料首次效率较低者相等。锂离子全电池石墨负极在首次充电时，锂离子在嵌入石墨前，会先在石墨表面形成固态电解质膜（SEI），这过程消耗的锂离子造成不可逆容量的损失。提高负极首次效率将显著提高全电池的首效，从而提升锂离子全电池的容量。为此，我们提出一种可控化负极预嵌锂的制备方法及连续化生产设备及其使用和检测方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种可控化负极预嵌锂的制备方法及连续化生产设备及其使用和检测方法。

本发明提供如下技术方案：一种可控化负极预嵌锂连续化生产设备，包括电解槽，所述电解槽的内部填充有锂离子电解液，所述锂离子电解液的上方设置有保护气体氛围，所述锂离子电解液的内部设置有可循环使用锂带，所述可循环使用锂带的一端连接有负极施压点，所述可循环使用锂带的上方设置有负极片，所述负极片的一端连接有收卷装置，所述负极片的另一端连接有放卷装置，所述放卷装置与收卷装置之间设置有转动轴，所述转动轴浸没于锂离子电解液中。

优选的，所述转动轴转动连接于电解槽的内壁，所述转动轴的数量为若干组，所述负极片的外表面与转动轴抵接，通过转动轴使负极片可以在锂离子电解液中稳定传动。

优选的，所述负极片通过收卷装置与转动轴在锂离子电解液中传动，所述锂离子电解液锂离子浓度为1mol/L左右，通过控制锂离子浓度来控制锂离子电离效果。

优选的，所述收卷装置与转动轴的转动速度保持一致，且所述收卷装置与转动轴的转动速度可控，通过收卷装置和转动轴转速的控制，来控制负极片上嵌锂量的均匀。

优选的，一种可控化负极预嵌锂的制备方法及连续化生产设备，其特征在于，包括以下步骤：

S1、负极活性物质浆料涂覆在锂离子电池集流体上；

S2、烘干除水；

S3、焊接极耳后经辊压制成负极片半成品；

S4、在保护气体的氛围中，将负极极片接入正极电压，锂带施加负极电压，共浸入充满锂离子电解液的电解槽中，一端进行放卷，另一端进行收券。

优选的，所述正极电压与负极电压具有可控性，通过控制电压控制锂离子电离速度，从而控制负极片锂离子嵌合量。

优选的，所述负极活性物质浆料中含有可嵌入脱出锂离子的活性材料，所述可嵌入脱出锂离子的活性材料占所述负极活性物质浆料的质量百分数为 80%〜99%，便于锂离子的嵌入。

优选的，所述负极活性物质浆料按照质量百分数还包括0%〜10%的导电剂和1%〜10%的粘结剂，便于锂离子的嵌入。

优选的，所述的锂离子电池集流体采用钛箔、钛合金、镍箔、镍合金、不锈钢等，使锂离子电池放电至零伏时，集流体没有发生溶解的材料。

与现有技术相比，本发明提供了一种可控化负极预嵌锂的制备方法及连续化生产设备及其检维修方法，具备以下有益效果：

在正极材料外寻找锂源，使负极SEI膜的形成消耗外界锂源的锂离子，保证正极材料脱嵌的锂离子不会消耗在全电池的化成过程，从而解决锂离子电池首效低的难题，提高全电池容量。并且，采用本专利公开的负极预嵌里生产工艺设备，通过控制负极与锂带的传送速率，共浸入电解液的总时长，量化预嵌锂的量，使锂离子在负极活性物质表面嵌入均匀并可控制，相对与传统的复杂预嵌里过程，本专利公开的预嵌锂装置嵌锂时间短，负极片的嵌锂量得到精确控制，提供锂源的锂片可循环使用，操作简单，安全可行，实现工厂大规模生产。

附图说明

图1为本专利公开的预嵌锂负极片工业化生产装置。

图中：1、电解槽；2、锂离子电解液；3、保护气体氛围；4、可循环使用锂带；5、负极施压点；6、负极片；7、收卷装置；8、放卷装置；9、转动轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种可控化负极预嵌锂连续化生产设备，包括电解槽1，所述电解槽1的内部填充有锂离子电解液2，所述锂离子电解液2的上方设置有保护气体氛围3，所述锂离子电解液2的内部设置有可循环使用锂带4，所述可循环使用锂带4的一端连接有负极施压点5，所述可循环使用锂带4的上方设置有负极片6，所述负极片6的一端连接有收卷装置7，所述负极片6的另一端连接有放卷装置8，所述放卷装置8与收卷装置7之间设置有转动轴9，所述转动轴9浸没于锂离子电解液2中。

其中，所述锂离子电解液2包括提供锂离子的锂盐和有机溶剂，所述锂盐可以为LiPF6、LiBF4、LiC104、LiTFSI、LiAsF 6中的一种或几种的混合，所述的有机溶剂为乙烯碳酸酯、二甲基碳酸酯、甲基乙基碳酸酯、亚乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、乙腈 和氟代碳酸酯中的一种或几种的混合。

特别需注意的，所述负极片6为采用本发明方法制备而得。溶剂、导电剂和粘接剂可以采用本领域常规试剂。

工作流程及原理：负极极片如石墨在焊接极耳后，输送的保护气体气体氛围下的电解槽中，传送带施加正极电压；可循环使用的锂带全部置于电解槽中，传送带施加负极电压。在放电电流下，锂带脱出锂离子嵌入带石墨极片中。通过设计电压、传送带的走速和电解槽大小，控制石墨负极在电解槽传送时间，从而精确地控制了预嵌锂含量。传送带的锂带经烘箱干燥后，可与隔膜、正极片卷绕制作成电芯。全过程机械化连续操作。正极片、隔膜和负极片依次层叠。隔膜用于防止正极片和负极片电接触。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种可控化负极预嵌锂连续化生产设备，包括电解槽（1），所述电解槽（1）的内部填充有锂离子电解液（2），所述锂离子电解液（2）的上方设置有保护气体氛围（3），其特征在于：所述锂离子电解液（2）的内部设置有可循环使用锂带（4），所述可循环使用锂带（4）的一端连接有负极施压点（5），所述可循环使用锂带（4）的上方设置有负极片（6），所述负极片（6）的一端连接有收卷装置（7），所述负极片（6）的另一端连接有放卷装置（8），所述放卷装置（8）与收卷装置（7）之间设置有转动轴（9），所述转动轴（9）浸没于锂离子电解液（2）中。

2.根据权利要求1所述的一种可控化负极预嵌锂的连续化生产设备，其特征在于：所述转动轴（9）转动连接于电解槽（1）的内壁，所述转动轴（9）的数量为若干组，所述负极片（6）的外表面与转动轴（9）抵接。

3.根据权利要求1所述的一种可控化负极预嵌锂的连续化生产设备，其特征在于：所述负极片（6）通过收卷装置（7）与转动轴（9）在锂离子电解液（2）中传动，所述锂离子电解液（2）锂离子浓度为1mol/L左右。

4.根据权利要求3所述的一种可控化负极预嵌锂的连续化生产设备，其特征在于：所述收卷装置（7）与转动轴（9）的转动速度保持一致，且所述收卷装置（7）与转动轴（9）的转动速度可控。

5.一种可控化负极预嵌锂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、负极活性物质浆料涂覆在锂离子电池集流体上；

S2、烘干除水；

S3、焊接极耳后经辊压制成负极片半成品；

S4、在保护气体的氛围中，将负极极片接入正极电压，锂带施加负极电压，共浸入充满锂离子电解液的电解槽中，一端进行放卷，另一端进行收卷。

6.根据权利要求5所述的一种可控化负极预嵌锂的制备方法，其特征在于：所述正极电压与负极电压具有可控性。

7.根据权利要求5所述的一种可控化负极预嵌锂的制备方法，其特征在于：所述负极活性物质浆料中含有可嵌入脱出锂离子的活性材料，所述可嵌入脱出锂离子的活性材料占所述负极活性物质浆料的质量百分数为 80%〜99%。

8.根据权利要求5所述的一种可控化负极预嵌锂的制备方法，其特征在于：所述负极活性物质浆料按照质量百分数还包括0%〜10%的导电剂和1%〜10%的粘结剂。

9.根据权利要求5所述的一种可控化负极预嵌锂的制备方法，其特征在于：所述的锂离子电池集流体采用钛箔、钛合金、镍箔、镍合金、不锈钢等。

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