CN112563444A - 一种异步加热延压装置、大宽幅超薄金属锂箔及其制备方法和应用 - Google Patents

一种异步加热延压装置、大宽幅超薄金属锂箔及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种异步加热延压装置、大宽幅超薄金属锂箔及其制备方法和应用，异步加热延压装置包括牵引基材放卷单元，用来放卷牵引基材；锂带放卷单元，用来放卷锂带；异步加热压延单元，异步加热压延单元中包括第一延压辊、第二延压辊和加热箱；所述加热箱用来加热第一延压辊；所述第一延压辊对牵引基材进行加热；所述第一延压辊和第二延压辊轴线平行，对向设置，使牵引基材和锂带复合为复合带；收卷单元，用来收卷复合带。该装置通过设置加热箱和异步的第一延压辊和第二延压辊，能够制得厚度均一的大宽幅超薄金属锂箔；该锂箔应用在电池中具有较高的首效。锂箔的宽度为1～600mm；所述锂箔的厚度为1～20μm；电池的首效高达98％。

Description

一种异步加热延压装置、大宽幅超薄金属锂箔及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于超薄锂箔技术领域，尤其涉及一种异步加热延压装置、大宽幅超薄金属锂箔及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池由于能量密度高、使用寿命长、绿色无污染等优势被广泛应用于消费类电子产品和电动汽车领域。然而在锂电池的首次充放电过程中都会由于固体电解质膜(SEI膜)的形成而消耗部分锂，造成正极材料锂的损失，且此不可逆的首次容量的损失直接导致电池容量的损失。目前，锂离子电池极片的补锂工艺是提高锂电池容量的关键技术，其核心在于压延与覆合。压延即是将0.25mm～2mm的锂带通过辊压形成0.002mm～0.006mm的锂膜，并使其附着于牵引膜上的一种工艺方法。
现有的补锂工艺，在压延锂带的过程中，当锂带来料的厚度波动较大(≥±10μm)时，特别是当锂带幅宽较大(150mm以上)时，锂带在入料过程中宽度方向所受的张力不均，通常是两边大中间小，使得锂带宽度方向上的形变量不一致(厚度不均，中间厚两边薄)，因此，在压辊高速运转时，锂带来料厚度的波动、锂带宽度方向张力的不一致以及锂带宽度方向形变不均匀等因素容易导致锂带中间部位堆积在辊压入料处并形成锂堆积，锂堆积越积越多且难以消除，严重影响锂带正常入料，降低了锂带压延的厚度一致性，导致无法连续生产，造成物料浪费、产能降低。另外，传统的压延对辊压机的要求较高，传统的单纯的辊压根本无法实现将锂带辊压到2μm～6μm的厚度，即使能够实现也需要其他辅助材料，但辅助材料价格昂贵近一步提高锂带的成本且不能完全得到成分单一的金属锂带从而严重影响其性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种异步加热延压装置、大宽幅超薄金属锂箔及其制备方法和应用，该装置能够制备得到厚度均一的大宽幅超薄锂带。
本发明提供了一种短流程制备大宽幅超薄金属锂箔的异步加热延压装置，包括牵引基材放卷单元，用来放卷牵引基材；
锂带放卷单元，用来放卷锂带；
锂带预整形单元；
异步加热压延单元，所述异步加热压延单元中包括第一延压辊、第二延压辊和加热箱；所述加热箱用来加热第一延压辊；所述第一延压辊对牵引基材进行加热；所述第一延压辊和第二延压辊轴线平行，对向设置，使牵引基材和锂带复合为复合带；
收卷单元，用来收卷复合带。
优选地，第二延压辊的表面包覆陶瓷层或聚合物层。所述陶瓷层包括氧化铝、氧化锆、氧化铬、复合物陶瓷涂层中的一种或多种；所述聚合物涂层包括聚硅氧烷、长链烷烃、石蜡中的一种或多种。
优选地，所述锂带放卷单元中包括依次设置的锂带放卷辊、第一辅助导辊、第一张力检测辊和测速辊；
所述牵引基材放卷单元中包括依次设置的基材放卷辊、第二辅助导辊、第一纠偏传感器、第三辅助导辊和第四辅助导辊；
所述锂带预整形单元中包括依次设置的第二纠偏传感器和对向设置的整形辊；
所述收卷单元中包括依次设置的第二张力检测辊、第三纠偏传感器和复合带收卷辊。
优选地，所述牵引基材选自不锈钢箔，铜箔，钢箔或铁箔。
本发明提供了一种采用上述技术方案所述异步加热延压装置制备大宽幅超薄锂箔的方法，包括以下步骤：
锂带经放卷和预整形后与放卷的牵引基材在第一延压辊和第二延压辊之间的辊缝中异步加热压延处理，收卷，得到复合带；
所述异步加热压延处理的温度为50～250℃；所述第一延压辊和第二延压辊的转速比为1:1.1～8。
优选地，锂带放卷的速度为0.1～3m/min；牵引基材放卷的速度为0.1～20m/min。
优选地，所述锂带放卷时的张力为5～100N；牵引基材和锂带放卷时的纠偏精度均为±0.2mm。
本发明提供了一种大宽幅超薄锂箔，由上述技术方案所述方法制得；
所述锂箔的宽度为1～600mm；所述锂箔的厚度为1～20μm。
本发明提供了一种电池，包括上述技术方案所述的大宽幅超薄锂箔。
本发明提供了一种短流程制备大宽幅超薄金属锂箔的异步加热延压装置，包括牵引基材放卷单元，用来放卷牵引基材；锂带放卷单元，用来放卷锂带；异步加热压延单元，所述异步加热压延单元中包括第一延压辊、第二延压辊和加热箱；所述加热箱用来加热第一延压辊；所述第一延压辊对牵引基材进行加热；所述第一延压辊和第二延压辊轴线平行，对向设置，使牵引基材和锂带复合为复合带；收卷单元，用来收卷复合带。该装置牵引基材放卷单元放卷基材，锂带放卷单元放卷锂带经预整形后，同时输送至第一延压辊和第二延压辊之间进行复合，得到复合带，再通过复合带收卷单元收卷。该装置通过设置加热箱和异步的第一延压辊和第二延压辊，能够制得厚度均一的大宽幅超薄金属锂箔；该锂箔应用在电池中具有较高的首效。实验结果表明：锂箔的宽度为1～600mm；所述锂箔的厚度为1～20μm；电池的首效高达98％；锂带横向上150个点作为测试点，有效厚度的相对误差为0～3％；纵向上30个点作为测试点，有效厚度的相对误差为0～2％。
附图说明
图1为本发明提供的短流程制备大宽幅超薄金属锂箔的异步加热延压装置结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种短流程制备大宽幅超薄金属锂箔的异步加热延压装置，包括牵引基材放卷单元，用来放卷牵引基材；
锂带放卷单元，用来放卷锂带；
锂带预整形单元；
异步加热压延单元，所述异步加热压延单元中包括第一延压辊、第二延压辊和加热箱；所述加热箱用来加热第一延压辊；所述第一延压辊对牵引基材进行加热；所述第一延压辊和第二延压辊轴线平行，对向设置，使牵引基材和锂带复合为复合带；
收卷单元，用来收卷复合带。
参见图1，图1为本发明提供的短流程制备大宽幅超薄金属锂箔的异步加热延压装置结构示意图，其中D-锂带放卷单元、E-牵引基材放卷单元、F-锂带预整形单元、H-异步加热压延单元、G-收卷单元。
锂带放卷单元中(D)中1-锂带放卷辊、2-第一辅助导辊、3-张力检测辊1、4-测速辊；
牵引基材放卷单元(E)中8-牵引基材放卷辊、9-第二辅助导辊、10-第一纠偏传感器、11-第三辅助导辊、12-第四辅助导辊；
锂带预整形单元(F)中5-第二纠偏传感器、6-整形辊1、7-整形辊2；
异步加热压延单元(H)中A-第二延压辊、B-第一延压辊、C-加热箱；
收卷单元(G)中13-第二张力检测辊、14-第三纠偏传感器、15-复合带收卷辊；
P-牵引基材、S-锂带、Z-复合带(即牵引基材和锂带复合)。
为了保证锂带不附着于延压辊表面造成延压辊表面污染、锂带材料的浪费以及后续对复合带厚度均匀性的影响，本发明在异步加热压延单元中靠近锂带侧的延压辊，即第二延压辊的表面包覆处理；优选包覆陶瓷层或聚合物层。所述陶瓷层包括氧化铝、氧化锆、氧化铬和复合物陶瓷涂层中的一种或多种；所述聚合物涂层包括聚硅氧烷、长链烷烃和石蜡中的一种或多种。
在本发明中，所述牵引基材优选选自不锈钢箔，铜箔，钢箔或铁箔。
在本发明中，所述锂带放卷单元中包括依次设置的锂带放卷辊、第一辅助导辊、第一张力检测辊和测速辊；
所述牵引基材放卷单元中包括依次设置的基材放卷辊、第二辅助导辊、第一纠偏传感器、第三辅助导辊和第四辅助导辊；
所述锂带预整形单元中包括依次设置的第二纠偏传感器和对向设置的整形辊；
所述收卷单元中包括依次设置的第二张力检测辊、第三纠偏传感器和复合带收卷辊。
在本发明中，所述第一延压辊和第二延压辊的速度差在异步加热压延单元中分别设定各自的速度，使二者异步，从而保证在压延时锂带不仅受到第一延压辊和第二延压辊径向的力而且受到第一延压辊和第二延压辊的切向力更容易将锂带实现超薄。
所述加热箱能够对第一延压辊进行加热，为牵引基材和锂带延压复合时提供热量，从而使得固态金属锂带在压延时维持半固态状态从而更容易将锂带实现超薄。
所述基材放卷单元提供压延后超薄锂带的依附以及运送的基材；锂带放卷机构提供、输送待压延的锂带；
所述预整形单元，在锂带进入异步加热压延单元之前从两侧压平锂带，从而改善锂带的厚度一致性，以降低锂带厚度波动对压延效果的不利影响；
所述锂带预整形机构设置在异步加热压延单元的上游并用于从两侧压平锂带，锂带穿过预整形单元后穿过异步加热压延单元中第一延压辊和第二延压辊之间的辊缝。
具体的，采用上述异步加热延压装置的具体过程包括：
将牵引基材(P)通过基材放卷辊(8)、第二辅助导辊(9)、第一纠偏传感器(10)、第三辅助导辊(11)、辅助导辊4(12)以及第二延压辊(A)和第一延压辊(B)之间的辊缝进行事先的穿带，最后将牵引基材(P)的头端固定到收卷辊(15)上并使牵引基材(P)处于张紧状态；接着将锂带(S)通过锂带放卷辊(1)、辅助导辊1(2)、张力检测辊1(3)、测速辊(4)及锂带预整形机构(E)中的纠偏传感器2(5)、整形辊1(6)和整形辊2(7)间的辊缝，最后穿过延压辊(A)和加热延压辊(B)之间的辊缝，接着将锂带(S)粘贴到牵引基材(P)上，并使锂带处于张紧状态；
步骤二:调辊缝
调整第二延压辊(A)和第一延压辊(B)之间的相对距离，即预期得到超薄锂带的厚度；
步骤三:加热
通过调整加热箱的温度实现对第二延压辊(A)以及牵引基材(P)的加热；
步骤四:调速
通过调整第二延压辊(A)和第一延压辊(B)的相对速度，对延压的锂带施加切向力同热量的配合从而得到超薄金属锂。
本发明提供了一种采用上述技术方案所述异步加热延压装置制备大宽幅超薄锂箔的方法，包括以下步骤：
锂带经放卷和预整形后与放卷的牵引基材在第一延压辊和第二延压辊之间的辊缝中异步加热压延处理，收卷，得到复合带；
所述异步加热压延处理的温度为50～250℃；所述第一延压辊和第二延压辊的转速比为1:1.1～8。
本发明通过加热箱对第一延压辊加热，再结合第一延压辊和第二延压辊的异步，也就是速度不同，使得锂带实现超薄，且具有优异的性能，如制备的电池具有较高的首效。
在本发明中，所述异步加热压延处理的温度为50～250℃；在具体实施例中，所述异步加热压延处理的温度为80℃或120℃。
所述异步加热压延处理的压力优选为3～6T；在具体实施例中，所述异步加热压延处理的压力为4T或5T。
所述第一延压辊和第二延压辊的转速比为1:1.1～8。所述第一延压辊速度优选为1-5m/min，第二延压辊速度优选为1～10m/min。在具体实施例中，所述第一延压辊的速度为3m/min；所述第二延压辊的速度为1.5m/min或2m/min。
在本发明中，锂带放卷的速度为0.1～3m/min；牵引基材放卷的速度为0.1～20m/min。所述锂带放卷时的张力为5～100N；牵引基材和锂带放卷时的纠偏精度均优选为±0.2mm。
本发明提供了一种大宽幅超薄锂箔，由上述技术方案所述方法制得；
所述锂箔的宽度为1～600mm；所述锂箔的厚度为1～20μm。
所述锂箔的宽度优选为80～100mm。
本发明提供了一种电池，包括上述技术方案所述的大宽幅超薄锂箔。
本发明将上述超薄锂箔对SiOC极片进行预锂，与NCA进行组装电池。
采用上述技术方案所述的大宽幅超薄锂箔制作的电池具有较高的首次循环效率，即首效。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种异步加热延压装置、大宽幅超薄金属锂箔及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将牵引基材(P)通过基材放卷辊(8)、第二辅助导辊(9)、第一纠偏传感器(10)、第三辅助导辊(11)、辅助导辊4(12)以及第二延压辊(A)和第一延压辊(B)之间的辊缝进行事先的穿带，最后将牵引基材(P)的头端固定到收卷辊(15)上并使牵引基材(P)处于张紧状态；接着将锂带(S)通过锂带放卷辊(1)、辅助导辊1(2)、张力检测辊1(3)、测速辊(4)及锂带预整形机构(F)中的纠偏传感器2(5)、整形辊1(6)和整形辊2(7)间的辊缝，最后穿过延压辊(A)和加热延压辊(B)之间的辊缝，接着将锂带(S)粘贴到牵引基材(P)上，并使锂带处于张紧状态；
其中，牵引基材(P)为10μm铜箔，穿带完成后，然后调整延压辊(A)和延压辊(B)之间的相对距离为11μm，将加热箱温度调整为120℃，对延压辊B进行加热，调整延压辊(A)的速度为1.5m/min，延压辊(B)的速度为3m/min，延压辊之间的压力为5T，通过收卷单元(G)的不断收卷，得到复合带(Z)的厚度为20μm，宽度为80mm，其中锂带的有效厚度为10μm。
本发明将实施例1制备的超薄锂带对SiOC极片进行预锂，与NCA进行组装电池。测试结果为：首次循环效率为98％。而不预锂SiOC-NCA电池首效仅为76％。
随机选取中部一段50cm的锂带，纵向每隔1cm左右取一个点测量厚度，测量锂带两边和中间的厚度，共150个点；横向测量两边和中间的厚度，每隔1cm测量一个点，一共测量24个点。
表1本发明实施例1提供的锂带纵向上不同点的有效厚度测试结果
Figure BDA0002214815490000071
Figure BDA0002214815490000081
Figure BDA0002214815490000091
表2本发明实施例1提供的锂带横向上不同点的有效厚度测试结果
Figure BDA0002214815490000092
实施例2
将牵引基材(E)通过基材放卷辊(8)、第二辅助导辊(9)、第一纠偏传感器(10)、第三辅助导辊(11)、辅助导辊4(12)以及第一延压辊(A)和第二延压辊(B)之间的辊缝进行事先的穿带，最后将牵引基材(P)的头端固定到收卷辊(15)上并使牵引基材(P)处于张紧状态；接着将锂带(S)通过锂带放卷辊(1)、辅助导辊1(2)、张力检测辊1(3)、测速辊(4)及锂带预整形机构(F)中的纠偏传感器2(5)、整形辊1(6)和整形辊2(7)间的辊缝，最后穿过延压辊(A)和加热延压辊(B)之间的辊缝，接着将锂带(S)粘贴到牵引基材(P)上，并使锂带处于张紧状态；
其中，牵引基材(P)为10μm不锈钢箔，穿带完成后，然后调整延压辊(A)和延压辊(B)之间的相对距离为22μm，将加热箱温度调整为80℃，对延压辊B进行加热，调整延压辊(A)的速度为2m/min，延压辊(B)的速度为3m/min，延压辊之间的压力为4T，通过收卷单元(G)的不断收卷，得到复合带(Z)的厚度为30μm，宽度为100cm，其中锂带的有效厚度为20μm。
本发明将实施例2制备的超薄锂带对SiOC极片进行预锂，与NCA进行组装电池。测试结果为：首次循环效率为98％。
随机选取中部一段50cm的锂带，纵向每隔1cm左右取一个点测量厚度，测量锂带两边和中间的厚度，共150个点；纵向测量两边和中间的厚度，每隔1cm测量一个点，一共测量30个点。
表3本发明实施例2提供的锂带纵向上不同点的有效厚度测试结果
Figure BDA0002214815490000101
Figure BDA0002214815490000111
Figure BDA0002214815490000121
表4本发明实施例2提供的锂带纵向上不同点的有效厚度测试结果
Figure BDA0002214815490000122
由以上实施例可知，本发明提供了一种短流程制备大宽幅超薄金属锂箔的异步加热延压装置，包括牵引基材放卷单元，用来放卷牵引基材；锂带放卷单元，用来放卷锂带；异步加热压延单元，所述异步加热压延单元中包括第一延压辊、第二延压辊和加热箱；所述加热箱用来加热第一延压辊；所述第一延压辊对牵引基材进行加热；所述第一延压辊和第二延压辊轴线平行，对向设置，使牵引基材和锂带复合为复合带；收卷单元，用来收卷复合带。该装置通过设置加热箱和异步的第一延压辊和第二延压辊，能够制得厚度均一的大宽幅超薄金属锂箔；该锂箔应用在电池中具有较高的首效。实验结果表明：锂箔的宽度为1～600mm；所述锂箔的厚度为1～20μm；电池的首效高达98％；锂带横向上150个点作为测试点，有效厚度的相对误差为0～3％；纵向上30个点作为测试点，有效厚度的相对误差为0～2％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种短流程制备大宽幅超薄金属锂箔的异步加热延压装置，包括牵引基材放卷单元，用来放卷牵引基材；
锂带放卷单元，用来放卷锂带；
锂带预整形单元；
异步加热压延单元，所述异步加热压延单元中包括第一延压辊、第二延压辊和加热箱；所述加热箱用来加热第一延压辊；所述第一延压辊对牵引基材进行加热；所述第一延压辊和第二延压辊轴线平行，对向设置，使牵引基材和锂带复合为复合带；
收卷单元，用来收卷复合带。
2.根据权利要求1所述的异步加热延压装置，其特征在于，第二延压辊的表面包覆陶瓷层或聚合物层；所述陶瓷层包括氧化铝、氧化锆、氧化铬和复合物陶瓷涂层中的一种或多种；所述聚合物层包括聚硅氧烷、长链烷烃和石蜡中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的异步加热延压装置，其特征在于，所述锂带放卷单元中包括依次设置的锂带放卷辊、第一辅助导辊、第一张力检测辊和测速辊；
所述牵引基材放卷单元中包括依次设置的基材放卷辊、第二辅助导辊、第一纠偏传感器、第三辅助导辊和第四辅助导辊；
所述锂带预整形单元中包括依次设置的第二纠偏传感器和对向设置的整形辊；
所述收卷单元中包括依次设置的第二张力检测辊、第三纠偏传感器和复合带收卷辊。
4.根据权利要求1所述的异步加热延压装置，其特征在于，所述牵引基材选自不锈钢箔，铜箔，钢箔或铁箔。
5.一种采用权利要求1～4任一项所述异步加热延压装置制备大宽幅超薄锂箔的方法，包括以下步骤：
锂带经放卷和预整形后与放卷的牵引基材在第一延压辊和第二延压辊之间的辊缝中异步加热压延处理，收卷，得到复合带；
所述异步加热压延处理的温度为50～250℃；所述第二延压辊和第一延压辊的转速比为1:1.1～8。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，锂带放卷的速度为0.1～3m/min；牵引基材放卷的速度为0.1～20m/min。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述锂带放卷时的张力为5～100N；牵引基材和锂带放卷时的纠偏精度均为±0.2mm。
8.一种大宽幅超薄锂箔，由权利要求5～7任一项所述方法制得；
所述锂箔的宽度为1～600mm；所述锂箔的厚度为1～20μm。
9.一种电池，包括权利要求8所述的大宽幅超薄锂箔。
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