CN115000651A - 一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，它包括：压电基片、叉指型电极，可根据电池的形状、尺寸进行频率规格和布置位置调整，采取不同表面声波设备，可控制表面声波进入电解液速度达到1000m/s～5000m/s，使电解液流动达到1m/s以上的流动速度，不需要增加额外工序，伴随注液、静置工序一起开展，实现在电池注液过程中，迅速排出极片内部气体，提升电解液的注液效率和浸润效果。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，具体涉及一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置。
背景技术
由于锂离子电池各项性能指标优异，特别是具有良好循环寿命、较高的工作电压、无记忆效应以及较少的污染等特性，得到了广泛应用。电动汽车续航要求在不断提升，对高能量密度的锂离子电池需求量显著提高。为了显著提高锂离子电池的能来密度，通常采用增加活性材料设计比例、增加极片压实系数及增加电芯内部的装配比等方式，都是十分优先的解决途径。
采用上述方式提高锂离子电池能量密度，同时带来了一些其它问题，电解液作为锂离子的传输通道，是电荷转移反应作用的关键参与者，使得正负极之间电子传导的实现，如果在锂离子电池化成前，未得到电解液的充分浸润，那么极片微孔中的空气将无法排出，即电解液与活性材料表面无法得到充分接触，在电池化成过程中，固体电解质(SEI)膜的得不到充分生产，严重时极片表面甚至会出现黑斑，极大的影响了电池的性能。
文献1公开了一种锂离子电池电解液快速浸润膜片的注液装置，包括注液系统、电芯预加热系统和/或电解液加热系统，所述电芯预加热系统为注液系统的上攻位且二者之间设有电芯出口，所述电解液加热系统位于注液系统上方。在注液过程中，电芯和/或电解液被加热到一定温度，从而降低电解液在整个浸润过程中的粘度，最终实现快速浸润的目的。
目前，在电芯的注液工艺上，各厂家普遍会采取延长浸润搁置时间、加热高温静置、加压/高压注液、负压/真空注液、机械形变辅助浸润，或者将以上几种方式进行组合，来保证电芯内部正负极材料及隔膜的完全浸润，提升电解液浸润效果，但是，这就带来了提高注液工序的制造效率的降低、设备投入及损耗、和热电能耗的增加，极大的影响了电池生产的效率和产能，最终导致电芯生产成本的增加。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，构思了一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，该表面声波装置产生的表面声波进入电解液衍射角的不同，驱动电解液在发生振动、平移、喷射和雾化的响应，实现在电池注液过程中，迅速排出极片内部气体，提升电解液的注液效率和浸润效果。
实现本发明所采用的技术方案是：一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，其特征是，它包括：压电基片1、叉指型电极2，在所述压电基片1上设置叉指型电极2，所述叉指型电极2为相互交叉排列的电极。
进一步，所述叉指型电极2的材质为人造石英、铌酸锂、钽酸锂或锗酸铋。
进一步，该表面声波装置输入交变电信号后，所产生的声表面波波速为1000m/s～5000m/s。
进一步，该表面声波装置输入交变电信号后，所产生的频率为10kHz～1MHZ。
进一步，该表面声波装置的形状为方型、软包或圆柱。
本发明一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置的有益效果体现在：
1、一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，可根据电芯的尺寸进行固定式、移动式布局，对生产过程兼容性高，不需要增加额外工序，可伴随注液、静置工序一起开展，降低电芯制造过程中的注液、静置工序时间，提升注液效率和浸润效果、能耗低；
2、一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，可根据电池的形状、尺寸进行频率规格和布置位置的调整，同时采取不同功率的表面声波设备，可控制表面声波进入电解液速度达到1000m/s～5000m/s，使电解液流动达到1m/s以上的流动速度，以达到快速排出电池极片和隔膜孔隙中的气体，提升电解液的注液效率和浸润效果。
附图说明
图1是一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置构造示意图；
图2是一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置驱动电解液液流移动示意图；
图3是一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置应用于电芯注液工艺的示意图；
图4是基准组2和实施例3的容量保持率测试结果对比示意图；
图中：1.压电基片，2.叉指型电极，3.注液工装台面，4.表面声波装置，5.表面声波，6.电极，7.电解液液流移动，8.电芯正极柱，9.电芯，10.电芯负极柱，11.运动轨道。
具体实施方式
以下结合附图1—3和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，其特征是，它包括：压电基片1、叉指型电极2，在所述压电基片1上设置叉指型电极2，所述叉指型电极2为相互交叉排列的电极，所述叉指型电极2的材质为人造石英、铌酸锂、钽酸锂或锗酸铋，该表面声波装置输入交变电信号后，所产生的声表面波波速为1000m/s～5000m/s，该表面声波装置输入交变电信号后，所产生的频率为10kHz～1MHZ。
在注液工装台面3上，表面声波装置4设置在电极6的底部，保证表面声波5通过方向为电极6的平行方向，以降低表面声波5在电芯内部的衰减速度，电解液液流移动7方向向上，如附图2所示。
表面声波装置4，可与多工位的电芯注液工装夹具或静置工装夹具一体集成，在固定位置发射表面声波，表面声波装置的数量可根据电芯9的长度和容量进行匹配，实现规模化生产；也可以设计单独的工装夹具，此工装夹具允许表面声波装置可沿着电芯长度方向进行移动，运动轨道11，这样即可实现产生可移动的表面声波，覆盖更大尺寸的电芯，例如长度超过1000mm的电芯，从而减少表面声波装置的尺寸，降低设备成本，如附图3所示。
基准组1：
采取镍钴锰三元体系锂离子电池，电池尺寸为33mm×220mm×102mm，电芯设计容量115Ah,能量429Wh。
将未注液电芯放在自动注液机的真空仓进行抽真空至真空度-90kPa，持续60s，利用负压力把电芯内部的气体排出，为电解液的注入流出空间，减少电解液与正、负极材料和隔膜的浸润阻力；真空状态下注液，注入电解液的量按2.5核算，总计287.5g，由于电芯内外存在压差，电解液将自动流入电芯内部，注液完成后对注液口进行抽气密封；注液后的电芯在常温下静置24h；静置完成后进行电芯化成工序。
实施例1：
采取镍钴锰三元体系锂离子电池，电池尺寸为33mm×220mm×102mm，电芯设计容量115Ah,能量429Wh。将未注液电芯放在自动注液机的工装平台上，所在的工装平台已经预先配置了2块表面声波装置，其尺寸为20mm×60mm，可产生频率约为120Hz的表面声波；启动自动注液机与表面声波装置，注入电解液的量按2.5核算，总计287.5g，注液完成后对注液口进行抽气密封；继续对注液后的电芯施加20min的表面声波处理，然后常温静置8h；静置完成后进行电芯化成工序。
实施例2：
采取镍钴锰三元体系锂离子电池，电池尺寸为33mm×220mm×102mm，电芯设计容量115Ah,能量429Wh。将未注液电芯放在自动注液机的工装平台上，所在的工装平台已经预先配置了2块表面声波装置，其尺寸为20mm×60mm，可产生频率约为120Hz的表面声波；启动自动注液机与表面声波装置，注入电解液的量按2.5核算，总计287.5g，注液完成后对注液口进行抽气密封；继续对注液后的电芯施加20min的表面声波处理，然后45℃静置8h；静置完成后进行电芯化成工序。
表1基准组、实施例1和实施2的电芯保液量及循环性能对比
从上表可以看出，实施例1和基准组1在电解液保液量和循环寿命的结果是相似的，本发明的有益之处在于可以通过表面声波技术显著加速电解液与正、负极材料及隔膜的浸润速度，而不牺牲浸润效果，从而大幅度的提升生产效率。同时，如采取实施2的方式，增加表面声波的实施时间及提升电芯的静置温度，将进一步提升电解液的浸润效果，加速电解液在电芯内部的浸润一致性，从而使得电芯化成后得到更加优异的固态电解质(SEI)膜，可在一定程度上提升电芯的循环寿命性能。
基准组2：
采取磷酸铁锂体系锂离子电池，电池尺寸为13mm×1200mm×112mm，电芯设计容量229Ah,能量735Wh。
将未注液电芯放在自动注液机的真空仓进行抽真空至真空度-90kPa，持续60s，利用负压力把电芯内部的气体排出，为电解液的注入流出空间，减少电解液与正、负极材料和隔膜的浸润阻力；真空状态下注液，注入电解液的量按3.5核算，总计801.5g，由于电芯内外存在压差，电解液将自动流入电芯内部，注液完成后对注液口进行抽气密封；注液后的电芯在常温下静置24h；静置完成后进行电芯化成工序。
实施例3：
采取磷酸铁锂体系锂离子电池，电池尺寸为13mm×1200mm×112mm，电芯设计容量229Ah,能量735h。
将未注液电芯放在自动注液机的工装平台上，所在的工装平台已经预先配置了含有3块表面声波装置的可移动式工装，每块表面声波装置的尺寸为20mm×60mm，可产生频率约为120Hz的表面声波；启动自动注液机与表面声波装置，注入电解液的量按3.5核算，总计801.5g，随着注液过程缓慢移动表面声波装置，以便可实现所产生的声波能够完全覆盖电芯长度尺寸，注液完成后对注液口进行抽气密封；继续以移动式的对注液后的电芯施加30min的表面声波处理，然后45℃静置8h；静置完成后进行电芯化成工序；从附图4中可以看出，本发明对于磷酸铁锂正极材料体系一样适用，通过表面声波技术不仅可以大幅度的降低注液工序的时间，提升生产效率，同时对于电芯的长期循环寿命性能有一定提升。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，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该视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，其特征是，它包括：压电基片(1)、叉指型电极(2)，在所述压电基片(1)上设置叉指型电极(2)，所述叉指型电极(2)为相互交叉排列的电极。
2.根据权利要求1所述的一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，其特征是，所述叉指型电极(2)的材质为人造石英、铌酸锂、钽酸锂或锗酸铋。
3.根据权利要求1所述的一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，其特征是，该表面声波装置输入交变电信号后，所产生的声表面波波速为1000m/s～5000m/s。
4.根据权利要求1所述的一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，其特征是，该表面声波装置输入交变电信号后，所产生的频率为10kHz～1MHZ。
5.根据权利要求1所述的一种提升锂离子二次电池注液效率的表面声波装置，其特征是，该表面声波装置的形状为方型、软包或圆柱。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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