CN115579451B - 锂金属电池负极材料用锂箔层压装置 - Google Patents
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Abstract
锂金属电池负极材料用锂箔层压装置，包括：一对锂箔卷取机，将与离型膜一起卷取的锂箔解开；一对张力引导辊，将解开的锂箔的张力变动最小化；一对水平引导辊，水平引导通过了张力引导辊的锂箔；一对第一离型膜卷取机，将从锂箔卷取机剥离的离型膜卷取；铜箔卷取机，将图案化的集电体即铜箔解开；铜箔张力调节器，调节解开的铜箔的张力而将方向改成下方；一对切割机，以规定长度切割通过了水平引导辊的锂箔；一对引导件，将切割的锂箔引导至导辊；一对导辊，进行引导，以向图案化的铜箔的两面层压切割的锂箔；一对压辊，向图案化的铜箔层压锂箔；第一离型膜卷出机，向层压的负极材料插入离型膜；负极材料卷取机，将插入离型膜的负极材料卷取。
Description
技术领域
本发明涉及锂金属电池负极材料用锂箔(lithium foil)层压装置，更具体地，涉及通过2段压辊在铜箔的两面层压锂箔的装置。
背景技术
锂离子电池大体由正极、负极、电解液、分离膜构成。正极作为锂离子源而决定电池的容量和电压。负极将从正极释放的锂离子可逆地吸收/释放并通过外部电路而使电流流动，大部分使用具备稳定的结构的石墨。电解液起到媒介体作用以供锂离子能够在正极与负极之间移动，并由离子电导率较高的物质构成。分离膜起到将正极和负极物理性地阻断的作用，以防止彼此混合，仅使离子移动。
负极决定电池的寿命和容量，最初直接使用了锂金属，但因危险性，至今通过层层结构而使用了稳定的石墨材料，近年来能量密度比石墨高10倍以上且充放电速度快的硅备受瞩目，但硅材料比石墨体积膨胀3～4倍以上而需要对其进行稳定化。
锂离子电池的制造工序大体分为电极工序、组装工序、化成工序，具体工序则根据电池形态及制造厂商而存在差异。
电极工序作为制造正极和负极极板的工序，利用集电体基材和正极/负极活性物质、导电材料及粘合剂一起混合而成的合剂而进行混合(mixing)、涂布(coating)、压接(pressing)、分切(slitting)、干燥(drying)来分别执行正极和负极制造工序。
组装工序作为将通过电极工序而制成的正极板和负极板与分离膜一起根据电芯(cell)形态而组装的工序，根据电池电芯的形态或电芯厂商所采用的技术而发生变化，大体由开槽(notching)、堆叠(stacking)、极耳焊接(tab welding)、包装(packaging)构成，与电芯的容量对应地，以绕线或堆叠的方式将电极板堆积。
开槽工序作为为了制造正极和负极的极耳而按照电池的样子而将极板分切为适当的大小的工序，控制电池的生产速度。
开槽工序大体区分为压力机装置和激光装置，压力机中直接用锋利的冲压刀片以穿孔形态将辊形态的正极板/负极板上下切割，因此需要周期性地进行刀刃的更换和维修。激光装置利用IR激光而切割，因此不产生额外的维修费用且生产速度快，但初始投资费用高。
在完成开槽工序之后，为了获得所希望的电芯的容量，根据电芯的形态(圆筒形/棱柱形/袋形)而以绕线或堆叠的方式堆积电极板。
化成工序作为将锂离子电池激活并稳定化的工序，对完成组装的电池充电/放电而赋予电气性特性，进行电池的质量检查和选用。
在开槽工序之后，作为堆叠工序具有通过激光来开槽并层叠(堆叠，stacking)的方法和使用模具(mold)而开槽之后层叠的方法。
作为第二代电池，将锂金属用作负极的锂金属电池可将能量密度提高到比锂离子电池的800Wh/L高的1,000Wh/L以上，因此被集中研发。
锂金属具有金属本身柔软且黏着而彼此粘连或附着异物的问题，因此难以制造100μm以下的锂箔(lithium foil)。这样的锂的特性在利用模具的穿孔或开槽工序中产生在模具沾到锂金属的烧结现象，由此导致残次品且生产性下降。另外，在将锂金属开槽之后保管在料仓(magazine)的情况下，根据由负极电极本身的重量产生的压力而导致彼此粘连的问题。为了解决如上述的问题，在堆积不发生粘连的程度的少量时，因频繁的料仓的更换而导致生产性下降。
因此，如果想要将金属锂用作负极材料，则需要在用于制造锂箔的压接工序中防止粘连到辊等，并且为了避免在开槽工序中沾到模具，需要进行特殊的制造工序，并省略料仓保管过程。
电极工序中对锂金属负极材料进行在铜箔的集电体的两面利用压力机而将作为活性物质的锂箔压接的层压技术。在压接工序中，关于压力机的两侧辊而使用硬度高的钢辊时，不能实现良好的层压，会发生粘连到辊上或撕裂等不良的层压。另外，因为锂的黏着而导致锂箔的脱离，还发生与形成在铜箔上的图案不匹配的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1韩国公开专利第10-2020-0018259号
发明内容
要解决的课题
为了解决上述的问题，本发明提供一种解决将黏着的锂箔层压到铜箔集电体时产生的不良并提高生产性的锂箔层压装置。
用于解决课题的手段
为了解决如上述的课题，本发明提供一种锂金属电池负极材料用锂箔层压装置，其特征在于，其包括：一对锂箔卷取机11、11'，它们将与离型膜一起卷取的锂箔解开；一对张力引导辊12、12'，它们用于将解开的锂箔的张力变动最小化；一对水平引导辊13、13'，它们对通过了张力引导辊的锂箔进行水平引导；一对第一离型膜卷取机14、14'，它们将从锂箔卷取机剥离的离型膜卷取；铜箔卷取机21，其将图案化的集电体即铜箔解开；铜箔张力调节器22，其调节解开的铜箔的张力而将方向改成下方；一对刀轮切割机30、30'，它们以规定的长度切割通过了上述水平引导辊的锂箔；一对引导件40、40'，它们将切割的锂箔引导至导辊；一对导辊51，它们进行引导，以向图案化的铜箔的两面层压所切割的锂箔；一对压辊53，它们向图案化的铜箔层压锂箔；第一离型膜出取机60，其用于向层压的负极材料插入离型膜；及负极材料卷取机70，其将插入离型膜的负极材料卷取。
特征在于，上述切割机包括润滑剂涂布机。
特征在于，上述引导件形成有多个吸附孔。
特征在于，上述导辊由合成树脂形成。
特征在于，上述导辊形成有多个吸附孔。
特征在于，上述一对压辊中的一个压辊为钢辊，另一个压辊为合成树脂辊。
发明效果
本发明的锂金属电池负极材料用锂箔层压装置由一对导辊、一对压辊和形成在一对导辊上的吸附孔构成，防止锂箔被粘连或移动而散开的现象，由此防止不匹配，能够提高生产性。
附图说明
图1是本发明的锂箔层压装置的主视图。
图2是本发明的锂箔切割机的照片。
图3是本发明的引导件的照片。
图4是本发明的导辊的俯视图。
图5是本发明的压辊的俯视图。
附图标记说明
11、11'：锂箔卷取机；12、12'：张力引导辊；13、13'：水平引导辊；14、14'：第一离型膜卷取机；21：铜箔卷取机；22：铜箔张力调节器；30、30'：切割机；40、40'：引导件；51：导辊；53：压辊；60：第一离型膜卷出机；70：负极材料卷取机。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的具体实施方式进行说明。本发明的实施例用于对一个发明进行说明，权利范围不限于所示的实施例，在例示的附图中，为了清楚地示出本发明，仅对核心的内容放大而图示，省略了附属性的部件，因此不应仅限于附图而对本发明进行解释。
本发明中将锂金属用作负极材料，为了与以往的将石墨等用作负极材料的‘锂离子(Li ion)电池’区别开，统称为‘锂金属(Li metal)电池’。
本发明的层压(lamination)技术作为在铜箔即集电体的两面粘贴锂箔的技术，为了容易实现接合，在铜箔上按照规定间隔的图案涂布含有碳等的底漆油墨并通过压力机按压锂金属箔(foil)而进行粘贴。
作为压力机的两侧辊而使用硬度强的钢辊时，会粘连到钢辊或撕裂而导致产生残次品，为了解决该问题，只能停止运转，由此导致生产性下降。
图1作为本发明的锂箔层压装置的主视图，包括：一对锂箔卷取机11、11'，它们将与离型膜一起卷取的锂箔解开(unwinding)；一对张力引导辊12、12'，它们用于将解开的锂箔的张力变动最小化；一对水平引导辊13、13'，它们对通过了张力引导辊的锂箔进行水平引导；一对第一离型膜卷取机14、14'，它们将从锂箔卷取机剥离的离型膜卷取；铜箔卷取机21，其将图案化的集电体即铜箔解开；铜箔张力调节器22，其调节解开的铜箔的张力而将方向改成下方；一对切割机30、30'，它们以规定的长度切割通过了上述水平引导辊的锂箔；一对引导件40、40'，它们将切割的锂箔引导至导辊；一对导辊51，它们进行引导，以向图案化的铜箔的两面层压所切割的锂箔；一对压辊53，它们向图案化的铜箔层压锂箔；第一离型膜卷出机60，其用于向层压的负极材料插入离型膜；及负极材料卷取机70，其将插入离型膜的负极材料卷取。
另外，包括：一对第二离型膜卷取机61、63，它们供给将压接锂箔的压辊包围的离型膜，以防止锂箔粘连到一对压辊53；及一对第二离型膜卷取机62、64，它们将包围压辊而出来的离型膜卷取。
本发明的锂箔层压装置附着到集电体即铜箔的两面，因此对称地具备一对的锂箔卷取机11、11'、张力引导辊12、12'、水平引导辊13、13'、第一离型膜卷取机(winder)14、14'、切割机30、30'、引导件40、40'、导辊51及压辊53，以将中央的铜箔为中心在两侧附着锂箔。
因锂箔的黏着的性质而会导致锂箔之间被粘连，因此为了容易剥离，在锂箔之间插入离型膜而进行卷取。锂箔卷取机11、11'将插入离型膜而卷取的锂箔解开，离型膜朝向第一离型膜卷取机14、14'而被卷取，被解开的锂箔向张力引导辊12、12'行进。
张力引导辊12、12'为了相对突然发生的张力的干扰而将张力变动最小化，通过自重而上下移动来调节张力。
水平引导辊13、13'由多个辊构成，在进入切割机之前保持平滑而移动。
铜箔卷取机21是将负极集电体即铜箔解开的部件。铜箔以60cm程度的规定间隔涂布碳而被图案化，以良好地附着锂箔。碳涂层可由导电性油墨或粘合剂的底漆来代替使用。
本发明并非将锂箔连续地层压到铜箔，而是仅将图案化的部分离散性地层压，因此图案的匹配度决定生产质量。当铜箔的图案与锂箔偏离而发生不匹配或气泡时，作为残次品而被废弃，因此产量下降，由此导致生产性下降。
铜箔张力调节器22调节被解开的铜箔的张力而将方向改成下方。在向下方垂直展开的铜箔的两面附着锂箔。
锂箔切割机30、30'将通过了水平引导辊的锂箔切割为规定的长度，以与铜箔的图案一致。图2作为锂箔切割机的详细照片，圆形的刀轮31前后移动旋转而将锂箔切割。
由于锂箔黏着，锂被沾到刀轮的刀刃或被切割的截面并不光滑，因此需要周期性地更换刀轮。本发明的切割机使用润滑剂涂布机，在刀轮前进时，在锂箔先涂上润滑剂然后用刀轮切割，因此在刀轮的刀刃上不会沾上锂，还可以延长刀刃的寿命。
引导件40、40'将切割的锂箔引导至导辊51。如图3所示，引导件形成有多个吸附孔41，从而能够防止通过较弱的真空的吸附力而切割的锂箔散开或移动。
锂箔的一端利用夹持器(gripper)42而被移送到导辊51，在移送时引导件的真空被解除，但当完成移送时，保持真空。
图4作为导辊51的俯视图，图案化的铜箔23经过中央，并向压辊进行引导，以按照铜箔的图案向铜箔的两面层压所切割的锂箔。
由一对合成树脂构成的辊形成有多个吸附孔52，由此当利用夹持器而将锂箔移送到吸附孔时，通过导辊的真空力将锂箔吸附并轻轻贴到铜箔而下降之后在最后段将真空解除而使锂箔的末端掉到压辊53而展开。在铜箔附着锂箔时，一端和另一端均被粘贴时，在通过压辊而进行的压接过程中无法排出气泡，由此导致残次品，因此将一端粘上，将另一端打开，以在通过压辊压接时使气泡自然排出。
在本发明中，使用由合成树脂构成的辊，以防止锂箔粘连到导辊。合成树脂辊需要具备具有机械性强度且表面张力高而防止锂箔等粘连的特性。在本发明中使用了加工容易，具备较高的拉伸强度和曲折强度，耐磨性及尺寸稳定性优异且表面张力高的乙缩醛(acetal)。
图5是对铜箔层压锂箔的一对压辊53的俯视图。一对压辊中的一个压辊为钢辊，另一个为合成树脂辊。在两个辊均由钢辊构成的情况下，发生锂箔被粘连并被撕开等残次品而引起生产性问题，因此作为一个辊而使用钢辊，作为另一个辊而使用能够吸收冲击的合成树脂辊来减少残次品。
合成树脂辊需要具备具有机械性强度且表面张力较高而锂箔等不容易粘连的特性。本发明中使用加工容易，具备较高的拉伸强度和曲折强度，耐磨性及尺寸稳定性优异且表面张力较高的乙缩醛。
第一离型膜卷出机60将离型膜解开而提供，以防止层压的负极材料彼此粘连。
第二离型膜卷取机61、63将离型膜解开而以将压接锂箔的压辊面包围的方式解开之后利用卷取机62、64而重新卷取。离型膜还起到防止锂箔粘连到压辊并吸附异物的清洁功能。
负极材料卷取机70将附着有离型膜的负极材料卷取。
Claims (5)
1.一种锂金属电池负极材料用锂箔层压装置，其特征在于，其包括：
一对锂箔卷取机(11、11')，它们将与离型膜一起卷取的锂箔解开；
一对张力引导辊(12、12')，它们用于将解开的锂箔的张力变动最小化；
一对水平引导辊(13、13')，它们对通过了张力引导辊的锂箔进行水平引导；
一对第一离型膜卷取机(14、14')，它们将从锂箔卷取机剥离的离型膜卷取；
铜箔卷取机(21)，其将图案化的集电体即铜箔解开；
铜箔张力调节器(22)，其调节解开的铜箔的张力而将方向改成向下；
一对刀轮切割机(30、30')，它们以规定的长度切割通过了上述水平引导辊的锂箔；
一对引导件(40、40')，它们将切割的锂箔引导至导辊；
一对导辊(51)，它们进行引导，以向图案化的铜箔的两面层压所切割的锂箔；
一对压辊(53)，它们向图案化的铜箔层压锂箔；
第一离型膜卷出机(60)，其用于向层压的负极材料插入离型膜；及
负极材料卷取机(70)，其将插入离型膜的负极材料卷取，
上述一对锂箔卷取机、一对张力引导辊、一对水平引导辊、一对第一离型膜卷取机、一对切割机、一对引导件、一对导辊及一对压辊左右对称地形成，以将中央的铜箔为中心在两侧附着锂箔，
上述一对导辊及一对压辊为在上部形成有一对导辊、在下部形成有一对压辊的结构，
上述导辊形成有多个吸附孔。
2.根据权利要求1所述的锂金属电池负极材料用锂箔层压装置，其特征在于，
上述切割机包括润滑剂涂布机。
3.根据权利要求1所述的锂金属电池负极材料用锂箔层压装置，其特征在于，
上述引导件形成有多个吸附孔。
4.根据权利要求1所述的锂金属电池负极材料用锂箔层压装置，其特征在于，
上述导辊由合成树脂形成。
5.根据权利要求1所述的锂金属电池负极材料用锂箔层压装置，其特征在于，
上述一对压辊中的一个压辊为钢辊，另一个压辊为合成树脂辊。
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