CN114552022A - 一种固体电池的制造装置和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池制造领域，针对生产过程易对材料表面和化学稳定性产生影响的问题，提供一种固体电池的制造装置，包括旋流式夹持器和旋转气流产生装置，旋转气流产生装置包括电机和旋流室，电机安装在旋流室中心位置，电机的电机轴上设有叶片；旋流室的顶部设有进气孔、底部与旋流式夹持器通过机械臂连通，旋流室到旋流式夹持器底端形成一条气流通道，被夹持物位于旋流式夹持器底端。本发明通过旋流夹持装置实现双极结构固体电池基元的无损接触和转移，提高电池材料在制造过程中的稳定性。本发明还提供利用所述装置制备固体电池的方法。

Description

一种固体电池的制造装置和制造方法

技术领域

本发明涉及电池制造领域，尤其是涉及一种固体电池的制造装置和制造方法。

背景技术

全固体锂电池(ASSBs)具有高安全、长寿命和高能量密度等优点，被认为是电动汽车的一种很有前途的储能系统。目前，主要在实验室规模上研究和试生产全固体电池，未来的一个技术挑战是解决ASSB使用的大尺寸材料(正负极材料、固体电解质层)所需制造工艺，并将其转移到工业规模化生产中，目前的技术还远远不能实现规模化的商业生产，还需要进行广泛的研究。

申请号为2017103871949的专利公开了全固体电池的制造方法、制造装置和全固体电池，将集电器层、正极层、固体电解质层和负极层分别层叠多个得到层叠电池，然后在层叠电池侧面注入液状树脂并进行固化。申请号为CN2018101143000的专利公开了层叠型全固体电池的制造方法，由负极集电器层、负极活性物质层、固体电解质层、正极活性物质层和正极集电器层组成的层叠体，收容于由层叠膜构成的外装体中，在加压条件下继续向层叠体内注入填充材料，优化了全固体电池的组装。

固体电池材料包括固体电解质、金属锂负极在转移过程中，若是采用常规锂离子电池接触式转移工具，会导致静电、表面划伤、杂质污染和局部应力集中等。固体电池的性能在很大程度上取决于其组件质量，在生产过程应该尽可能不影响电池组件性能，需要严格转移和组装条件，避免对材料表面和化学稳定性产生负面影响，导致后期固体电池性能快速失效，因此现有技术方案具有一定的技术局限性，需要一种理想的解决方法。

发明内容

本发明为了克服生产过程易对材料表面和化学稳定性产生影响的问题，提供一种固体电池的制造装置，通过旋流夹持装置实现双极结构固体电池基元的无损接触和转移，提高电池材料在制造过程中的稳定性，为推动固体电池实验室转向中试及工业化生产提供技术支持。本发明还提供利用所述装置制备固体电池的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种固体电池的制造装置，包括旋流式夹持器和旋转气流产生装置，旋转气流产生装置包括电机和旋流室，电机安装在旋流室中心位置，电机的电机轴上设有叶片；旋流室的顶部设有进气孔、底部与旋流式夹持器通过机械臂连通，旋流室到旋流式夹持器底端形成一条气流通道，被夹持物位于旋流式夹持器底端。

固体电池材料尤其是金属锂负极片和固体电解质非常敏感，例如固体电解质对机械接触或压力、冲击、振动和弯曲敏感，金属锂负极具有很强的附着力，在加工过程中很容易粘附在任何夹具或机械零件上，因此，与常规液体锂离子电池相比，固体电池制造过程中的夹持和转移装置显得尤其关键。本发明采用一种超压旋风驱动无接触夹持装置，在旋流式夹持器中，循环旋转气流在夹持器中心产生负压，在夹持器内壁产生超压，并且在夹持器和极片之间快速流动的气流产生负压，实现极片稳定的非接触抓取和转移。

本发明采用旋流式气动非接触夹持器，但是常规的旋流式气动夹持器均采用空气压缩机为其提供压缩空气，这导致了巨大的能源消耗，因为：①空气压缩机需要电能将空气压缩至高压，压缩过程中压缩机内会发生机械损失和热能损失；②压缩空气通过各种部件(如管道、弯管等)传输时，也存在能量损失。为避免上述问题，降低制造过程能源损耗，本发明通过使用电机(优选直流电机)和旋流室(优选圆柱形旋流室)产生连续可控的循环旋转气流，并通过气流通道与夹持器相通，可以显著降低产生气流的能量损耗。

作为优选，所述旋流式夹持器为一个空心圆柱，空心圆柱的中间设有一堵塞物，堵塞物和空心圆柱之间留有空隙，旋流室到空心圆柱底端形成一条气流通道。

夹持操作时电池材料放置在空心圆柱底端，气流从机械臂另一端流入，在空心圆柱中形成负压，实现对夹持物的无接触抓取。夹持的原理是：当叶片随着电机开始旋转时，圆形旋流室内的空气以相同的速度开始旋转，叶片内部产生离心力，旋流室中央部分的空气开始推动到旋流室外边缘，形成了连续可控的循环旋转气流，在夹持器端的中心部分产生了负作用力，这个负作用力可以吸引放置在夹持器下方的物体。同时，当叶片开始旋转时，旋流室上方的进气孔开始吸入空气，由于连续的吸力和空气的涡流效应，它开始沿着涡流室的外围逃逸，并在物体上产生正斥力，在正斥力和负作用力的综合作用下，夹持器可以在不接触的前提下提升物体。

作为优选，所述空心圆柱的顶端开口小、底端开口大。

作为优选，所述堵塞物为上大下小的圆棱台，且圆棱台的顶端设有一圈朝外的凸起一，所述空心圆柱的顶端对应得设有一圈朝里的凸起二，凸起一搭接在凸起二上以免堵塞物掉落。

作为优选，旋流式夹持器为若干个，且以机械臂的端部中心轴为轴，绕轴一圈均匀布置，每个旋流式夹持器的内部均与机械臂内部连通。根据实际需要，可以将不同数量的夹持器按照不同的排列方式连接在中心轴上，实现不同规格电池材料的安全转移。

作为优选，堵塞物到空心圆柱内壁的距离为2-8mm，叶片数量为4-12片，电机转速为1000-10000rpm。负压大小由堵塞物和空心圆柱内壁之间的空隙、叶片数量和电机转速共同控制。

通过调节堵塞物到空心圆柱内壁的距离可以调节提升力的大小，即在实际操作中，通过调整旋转气流产生装置和夹持器均可以对提升力大小进行调节，其中调整夹持器产生的影响相对较小。

叶片连接在电机轴上，呈对称分布，叶片数量在4-12片之间，叶片数量过少，能量利用率不高，并且对产生旋转气流的控制程度有限；叶片数量过多，一方面造成材料浪费，另一方面对旋转气流的控制过于敏感，即使微调电机参数也会导致旋转气流参数变化过大，降低了调控准确度，导致对固体电池材料的实际操作条件不稳定。其中叶片可以是平面结构，也可以是其他任意弯曲形状，包括弧形、波浪形等，并且叶片表面可以经过处理也可以不经过处理。叶片材质包括金属、高分子或其他无机有机复合材料。

电机的转速为1000-10000rpm，电机转速越快，产生的提升力和间隙距离(夹持器与物体之间的垂直距离)越大。

机械臂长度为0.3-1.5m。中空机械臂作为气流通道与图1气流发生装置相连，其中机械臂长度视实际需求和操作环境而定，本发明中为0.3-1.5m，机械臂长度过大，能量损失越多；长度过短操作方便性受限。

本发明还提供固体电池的组装生产方法，包括以下步骤：

(1)将正极、固体电解质和负极依次从上到下叠加放置，整体放入碾压机进行辊压，然后分切定形得到电池基元；

(2)利用所述制造装置将电池基元转移至组装工位进行叠加组装，最后装入外壳体得到固体电池。

正极片由活性材料、氧化物固体电解质和高分子粘结剂组成，其中活性材料包括磷酸铁锂LFP、钴酸锂LCO、锰酸锂LMO、层状三元材料NCM中的一种或几种；氧化物固体电解质为锆酸镧锂LLZO、磷酸钛铝锂LATP中的一种；高分子粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF。负极片由锂金属层、锂合金层与金属集流体复合而成。固体电解质层为聚合物固体电解质或无机氧化物固体电解质中的一种。正负极末端集电器为光滑金属或合金片、网状金属或合金片，电池基元之间的双极集电器为电子导电性优异的金属片。为了改善固体电池性能，集电器表面可以涂覆保护层。

作为优选，所述辊压在100-300个标准大气压下进行。使正负极片和固体电解质充分贴合。

作为优选，固体电池的组装生产过程中，环境中的水氧含量均低于10ppm。操作环境水氧含量控制均低于10ppm，目的是避免电池材料表面发生副反应，确保固体电池性能正常发挥。

作为优选，步骤(2)叠加组装过程中，相邻电池基元之间设有双极集电器。电池内部经由双极集电器进行串联。

作为优选，步骤(2)叠加组装得到的电池内部的终端设有弹性绝缘垫片，垫片材质为尼龙、聚四氟乙烯PTFE或全氟橡胶EPDM。为避免使用过程中极片位置发生位移，导致电池短路或者内阻升高，在电池内部终端增加弹性绝缘垫片。垫片材质为尼龙、聚四氟乙烯或聚碳酸酯中的一种，这些材料具有高弹性，可以显著提高固体电池内极片和固体电解质之间的接触性能，降低内阻并延长固体电池的循环寿命。

步骤(2)装入外壳体后，在封口之前注入密封树脂。

因此，采用本装置制造固体电池具有如下优点：(1)非接触式操作，电极材料表面无损伤，提高了固体电池组件质量和电池性能；(2)避免使用压缩空气，能量损耗低，降低了生产制造成本；(3)提升力分布均匀，且对于不同厚度的极片和固体电解质，可以精准调控提升力，避免由材料或静电力引起的粘附；(4)避免颗粒杂质对材料的污染；(5)转移速度快，操作高效方便。

附图说明

图1是本发明制造装置的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为叶片的俯视图；

图2是机械臂和旋流式夹持器的仰视图；

图3是旋流式夹持器的剖视图；

图4是双极固体电池结构示意图；

图5是固体电池制备过程示意图；

图中：1-电机；2-进气孔；3-旋流室；4-叶片；5-机械臂；6-旋流式夹持器，61-空心圆柱，62-堵塞物，63-空隙；7-电池材料；11-正负极末端集电器；12-正极片；13-固体电解质；14-负极片；15-双极集电器；16-弹性固定装置；17-端子；18-外壳体。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

一种固体电池生产用夹持装置，如图1所示，由旋流式夹持器6和旋转气流产生装置组成。旋转气流产生装置由电机1(优选直流电机)、旋流室3(优选圆形旋流室)和一组叶片4组成，电机1安装在旋流室3中心位置。在旋流室3顶部还有3-5个进气孔2，其孔径大小为3-9mm。叶片4连接在电机1的电机轴上，呈对称分布，叶片4数量8片(4-12片均可)。其中叶片4可以是图1所示的平面结构，也可以是其他任意弯曲形状，包括弧形、波浪形等，并且叶片4表面可以经过处理也可以不经过处理。叶片4材质包括金属、高分子或其他无机有机复合材料。电机1的转速为1000-10000rpm。

如图2所示，旋转气流产生装置的底部与旋流式夹持器6通过一根中空的机械臂5连通，旋流室3到旋流式夹持器6底端形成一条气流通道，被夹持物位于旋流式夹持器6底端。机械臂5的长度视实际需求和操作环境而定，本发明优选为0.3-1.5m。旋流式夹持器6为若干个(图1中为2个，图2中为展示排列方式画了3个，根据实际需要，可以将不同数量的夹持器按照不同的排列方式连接在中心轴上，实现不同规格电池材料7的安全转移)，且以机械臂5的端部中心轴为轴，绕轴一圈均匀布置，每个旋流式夹持器6的内部均与机械臂5内部连通。

旋流式夹持器6的具体结构如图3所示，旋流式夹持器6为一个空心圆柱61，空心圆柱61的顶端开口小、底端开口大。空心圆柱61的中间固定有一堵塞物62，堵塞物62和空心圆柱61之间留有空隙63。所述堵塞物62为上大下小的圆棱台，且圆棱台的顶端设有一圈朝外的凸起一，所述空心圆柱61的顶端对应得设有一圈朝里的凸起二，凸起一搭接在凸起二上以免堵塞物62掉落。

夹持操作时电池材料7放置在空心圆柱61底端，气流从机械臂5另一端流入，在空心圆柱61中形成负压，实现对夹持物的无接触抓取。夹持的原理是：当叶片4随着电机1开始旋转时，圆形旋流室3内的空气以相同的速度开始旋转，叶片4内部产生离心力，旋流室3中央部分的空气开始推动到旋流室3外边缘，形成了连续可控的循环旋转气流，在夹持器端的中心部分产生了负作用力，这个负作用力可以吸引放置在夹持器下方的物体。同时，当叶片4开始旋转时，旋流室3上方的进气孔2开始吸入空气，由于连续的吸力和空气的涡流效应，它开始沿着涡流室的外围逃逸，并在物体上产生正斥力，在正斥力和负作用力的综合作用下，夹持器可以在不接触的前提下提升物体。

实施例1

一种固体电池的制造装置制造方法，如图5所示，包括以下步骤：

(1)将正极、固体电解质13和负极依次从上到下叠加放置，整体放入碾压机进行辊压，辊压在200个标准大气压下进行，使正负极片和固体电解质13充分贴合；然后分切定形得到电池基元；正极片12由活性材料、氧化物固体电解质和高分子粘结剂组成，其中活性材料为磷酸铁锂LFP、氧化物固体电解质为锆酸镧锂LLZO、高分子粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF；固体电解质13为聚合物固体电解质；负极片14由锂金属层、锂合金层与金属集流体复合而成。

(2)利用所述制造装置将电池基元转移至组装工位进行叠加组装，最后装入外壳体18得到固体电池，制得如图4所示的电池。每个电池基元，如V1，从上到下依次为：正负极末端集电器11，正极片12，固体电解质13，负极片14，双极集电器15，相邻电池基元之间通过所述双极集电器14进行串联。其中所述正负极末端集电器11为光滑金属、双极集电器14为电子导电性优异的金属片。

叠加组装得到的电池内部的终端设有弹性固定装置16-弹性绝缘垫片，弹性绝缘垫片的材质为尼龙。弹性固定装置16可以避免使用过程中极片位置发生位移，导致电池短路或者内阻升高。电池内部的端部还设有端子17。

多个电池基元V1、V2、V3叠加在一起，最后装入外壳体18得到固体电池。为了改善固体电池性能，集电器表面可以涂覆保护层。

固体电池的组装生产过程中，环境中的水氧含量均低于10ppm，避免电池材料7表面发生副反应，确保固体电池性能正常发挥。

实施例2

与实施例1的区别在于，活性材料为层状三元材料NCM，氧化物固体电解质为磷酸钛铝锂LATP，固体电解质层为无机氧化物固体电解质；正负极末端集电器为网状金属；弹性绝缘垫片的材质为聚四氟乙烯PTFE。

对比例1

与实施例1的区别在于，步骤(2)采用常规接触式夹持工具进行组装。

结果分析

以转移无机氧化物固体电解质LATP片为例，对比例1和实施例1分别采用常规接触式夹持工具和本发明中的气动非接触式夹持器沿着相同路径转移，然后按照相同的流程组装成双极全固体电池，并按照相同的流程评估电池性能，表1所示为电池内阻和循环寿命的对比结果。

表1.使用不用夹持器对固体电池性能影响对比

可以看出，在30℃和60℃下，采用常规接触式夹持工具转移的LATP组装的固体电池内阻明显偏高，主要原因是常规接触式夹持器在接触点应力较大，使得LATP固体电解质片产生变形和局部裂纹，同时可能引入了其他元素杂质，增加了锂离子传输电阻，充放电过程中极化损耗过大，降低了固体电池的循环寿命。与之形成鲜明对比的是，采用本发明中的气动非接触式夹持器，避免了夹持器与LATP片没有直接接触，对LATP层表面和微观结构没有造成任何明显负面影响，因此固体电池的内阻和循环寿命均得到显著改善。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种固体电池的制造装置，其特征在于，包括旋流式夹持器和旋转气流产生装置，旋转气流产生装置包括电机和旋流室，电机安装在旋流室中心位置，电机的电机轴上设有叶片；旋流室的顶部设有进气孔、底部与旋流式夹持器通过机械臂连通，旋流室到旋流式夹持器底端形成一条气流通道，被夹持物位于旋流式夹持器底端。

2.根据权利要求1所述的一种固体电池的制造装置，其特征在于，所述旋流式夹持器为一个空心圆柱，空心圆柱的中间设有一堵塞物，堵塞物和空心圆柱之间留有空隙，旋流室到空心圆柱底端形成一条气流通道。

3.根据权利要求2所述的一种固体电池的制造装置，其特征在于，堵塞物到空心圆柱内壁的距离为2-8mm，叶片数量为4-12片，电机转速为1000-10000rpm。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种固体电池的制造装置和制造方法，其特征在于，机械臂长度为0.3-1.5m。

5.利用权利要求1-4任一所述的制造装置制造固体电池的方法，其特征在于，固体电池的组装生产方法，包括以下步骤：

(1)将正极、固体电解质和负极依次从上到下叠加放置，整体放入碾压机进行辊压，然后分切定形得到电池基元；

(2)利用所述制造装置将电池基元转移至组装工位进行叠加组装，最后装入外壳体得到固体电池。

6.根据权利要求5所述的一种固体电池的制造方法，其特征在于，所述辊压在100-300个标准大气压下进行。

7.根据权利要求5所述的一种固体电池的制造方法，其特征在于，固体电池的组装生产过程中，环境中的水氧含量均低于10ppm。

8.根据权利要求5所述的一种固体电池的制造方法，其特征在于，步骤(2)叠加组装过程中，相邻电池基元之间设有双极集电器。

9.根据权利要求5或6或7或8所述的一种固体电池的制造方法，其特征在于，步骤(2)叠加组装得到的电池内部的终端设有弹性绝缘垫片，垫片材质为尼龙、聚四氟乙烯PTFE或全氟橡胶EPDM中的一种。

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