CN116960266A - 一种极片补锂装置、极片补锂系统及极片补锂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极片补锂装置、极片补锂系统及极片补锂方法。极片补锂装置包括阴极辊、阳极锂锭、压辊和电镀槽；电镀槽中容纳有镀锂用电镀液；阴极辊水平设置于电镀槽的上方，阴极辊可绕辊轴转动；阴极辊的一部分辊面浸没在电镀液中，另一部分辊面位于电镀液的液面之上，阴极辊与电源的负极连接；阳极锂锭设置在电镀液中，与电源的正极连接；压辊用于将极片辊压在阴极辊上，且压辊与阴极辊的辊压点位于电镀液的液面之上。本发明的极片补锂装置通过阴极辊的不断转动，实现了阴极辊镀锂和锂金属转移至极片上的连续进行，极片的补锂量灵活可控，操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种极片补锂装置、极片补锂系统及极片补锂方法。
背景技术
锂离子电池主要依靠锂离子在正负极之间的移动来实现充放电，锂离子电池充放电过程中的锂损失是影响电池能量和电池循环性能的重要因素之一。现有技术中一般通过补锂方式来弥补锂损失，补锂技术不仅可以弥补阳极的首效损失，同时还能提供额外的锂源，从而极大地提升锂离子电池的能量密度及循环性能。
中国发明专利CN105489846A公开了一种极片补锂的方法及系统，采用锂带冷压的方式将锂带与极片粘合在一起实现补锂。该方法中使用的锂带是由厚度较厚的锂箔碾压至需求厚度形成超薄锂带，由于超薄锂带强度低，在实际生产中很容易断带，很难实现连续生产。另外锂材由于自身材质较软且容易断裂，制作较薄的锂箔成品率低，现有水平的厚度也仅能达到5μm以上，无法满足少量补锂的需求，或者使用厚锂箔造成浪费。再者，不同补锂量的极片需要不同厚度的锂箔，因此需要根据补锂量对锂箔进行相应的定制，导致使用锂箔补锂工艺繁琐，可操作性差。
中国发明专利CN110459731A公开一种锂离子电池负极极片补锂装置及补锂方法，该方法通过电化学方法补锂，将负极极片置于电解液中，电源正极导通金属锂源释放锂离子，电源负极导通负极极片并在负极极处上电沉积补锂。该方法虽然克服了锂带冷压补锂的多种缺陷，但是又带来了新的问题：1、由于负极极片的断面及极耳焊接部位有金属铜裸露，裸露的金属铜相对于负极极片的其它部分电阻小，因此会有更多的金属锂沉积；沉积在这些部位的锂金属给电池的安全造成隐患；２、极耳等部位在电解液中浸泡后会产生氧化或腐蚀，使其表面更加不易焊接；３、负极活性物质经电解液浸泡后，残留在活性物质中的电解液成份会对成品电池的性能有影响。
发明内容
本发明的目的为：提供一种极片补锂装置，在不使用锂带补锂的情况下，实现按需要量补锂和微量补锂，且不影响极片上活性物质和极耳的性能。
本发明的技术方案为：
一种极片补锂装置，包括阴极辊、阳极锂锭、压辊和电镀槽；所述电镀槽中容纳有镀锂用电镀液；所述阴极辊水平设置于所述电镀槽的上方，所述阴极辊可绕辊轴转动，所述阴极辊的一部分辊面浸没在电镀液中，另一部分辊面位于电镀液的液面之上，所述阴极辊与电源的负极连接；所述阳极锂锭设置在所述电镀液中，与电源的正极连接；所述压辊用于将极片辊压在所述阴极辊上，且所述压辊与所述阴极辊的辊压点位于所述电镀液的液面之上。
本发明的极片补锂装置在使用时，成卷的极片被送至阴极辊和压辊之间。电源通电后，阴极辊浸没在电镀液中的部分辊面被镀上金属锂，当阴极辊转动后，镀有金属锂的辊面向上转动至与极片接触，在压辊的辊压下，辊面上的金属锂镀层被转移至极片上并与极片粘合，实现了极片的补锂；同时，阴极辊的另一部分辊面则转动至电镀液中进行镀锂。阴极辊如此连续转动，使阴极辊的辊面相继连续镀锂，镀锂后的阴极辊辊面又转动至压辊处与极片接触并将金属锂镀层在压力的作用下转移至极片上，阴极辊连续转动实现了对极片的连续补锂。整个补锂过程连续，且补锂量的多少可以通过阴极辊面上锂金属镀层的厚度来控制，而锂金属镀层的厚度则可以通过电镀时电流密度及阴极辊的转速来共同调控；并且由于电镀锂的过程是锂离子迁移与锂原子的沉积，因此锂镀层的厚度控制甚至可以小至原子级别，补锂量可以控制在微量级而不受限制。因此，使用本发明的极片补锂装置可以灵活地根据所需补锂量的多少对极片进行有针对性地可控补锂，操作方便，可满足微量补锂的要求，也不会出现像锂箔补锂时发生的断带问题。另外，由于在补锂过程中，极片始终处于电镀液的液面之上，电镀液也不会污染极片上的活性物质，因此电镀液也不会对成品电池的电性能有影响。本发明的极片补锂装置，在同一个阴极辊上一边镀锂形成锂镀层、一边辊压实现锂镀层的转移，结构紧凑，设备简单，工艺简洁，占地面积小。
优选地，所述压辊为多个；多个所述压辊相互平行，并列设置在所述阴极辊的周向。在阴极辊的周向设置多个压辊，在补锂时多个压辊对极片进行了多次的与阴极辊辊面的辊压，增加了极片与锂镀层的接触面积和接触时间，从而提高金属锂的转移量，增加镀锂效率；多个压辊对于极片的多次辊压也可以增加已经辊压在极片上的金属锂与极片的结合牢固程度，避免金属锂的剥落，提高所制成电池的电性能的稳定性。
优选地，所述阳极锂锭为多个，多个所述阳极锂锭均布在所述阴极辊的周向。设置多个均布的阳极锂锭，增加了阳极的面积，有利于更多更快地析出锂离子，增加镀锂的速度，从而提升补锂的速度，有利于提高生产效率。
优选地，所述阴极辊的辊面上设置有柔性刮板，所述柔性刮板位于电镀液的液面之上，且设置在所述阴极辊的辊面转动离开电镀液的液面的一侧，用于刮除所述阴极辊的辊面上残留的电镀液。设置柔性刮板及时刮除附着在阴极辊辊面上的电镀液，防止电镀液被阴极辊携带至极片上污染极片上的活性物质，从而减少电镀液对于成品电池性能的影响。
本发明还提供一种极片补锂系统，包括至少两个上述极片补锂装置，各个极片补锂装置并排设置，且各个极片补锂装置的阴极辊相互平行，用于极片的连续多次辊压补锂。
本发明的上述极片补锂系统具备两个或两个以上的极片补锂装置，多个极片补锂装置的联合使用的补锂系统可以连续实现极片的正面补锂和反面补锂，方法如下：先使用一部分极片补锂装置对极片的正面补锂，然后由过轮将极片翻转，再用另一部分极片补锂装置对于极片的反面进行补锂。进行正反两面补锂的极片上金属锂的分布更加均匀，由此制成的成品电池的性能更加稳定。另外，对于极片的同一面，也可以通过极片补锂系统进行多次补锂，在极片的同一面进行少量多次的补锂，使金属锂在极片中的分布更加均匀，金属锂与极片的结合更加牢固。
本发明还提供一种极片补锂方法，包括以下步骤：
步骤一，使用上述极片补锂装置，接通电源对所述阴极辊镀锂，并使所述阴极辊保持连续转动；
步骤二，安装成卷的极片，使极片在所述阴极辊与所述压辊之间经辊压通过。
本发明的极片补锂方法，使阴极辊保持连续转动，先将浸泡在电镀液中的阴极辊的辊面镀锂；当镀锂后的辊面转离电镀液后与压辊相互挤压，将镀层中的金属锂挤压转移至极片上。本发明的极片补锂方法通过阴极辊的不断转动，实现了镀锂与锂金属转移的连续进行，并且由于电镀锂是原子级的锂元素转移，因此可以根据需要实现任何微量级的补锂需求，补锂量任意可控，且不会出现箔材或带材补锂导致的断带或补锂不连续的问题。本发明的极片补锂方法可以实现卷状极片的连续补锂，期间不需要另外对于锂箔或锂带的回收，工艺简单；也不会在极耳或裸露的铜箔或铜箔的断面上析出锂或对其造成污染，不会影响极耳的焊接和电池的安全性能。
本发明还提供一种极片补锂方法，包括以下步骤：
步骤一，使用上述的极片补锂系统，接通电源对各个所述阴极辊镀锂，并使各个所述阴极辊保持连续转动；
步骤二，安装成卷的极片，使极片依次在各个极片补锂装置的压辊和阴极辊之间经辊压通过，使所述极片的正面和反面分别进行辊压补锂。
使用上述极片补锂方法进行补锂，可以一次放卷与收卷即可完成对极片的正面和反面补锂，补锂效率高，操作也方便。
优选地，步骤二中所述极片进行辊压补锂时，所述极片的正面辊压补锂和反面辊压补锂交替进行多次。
使用上述极片补锂方法进行补锂，可以一次放卷与收卷即可完成对极片的正面和反面的多次补锂，正反两面交替多次补锂，使得极片两面补锂量均匀，且极片的应力小。
优选地，步骤二中所述极片进行辊压补锂时，所述极片先进行多次的正面辊压补锂，再进行多次的反面辊压补锂。
本发明的有益效果：
本发明的极片补锂装置，工作时保持阴极辊转动，对浸泡在电镀液中的部分辊面镀锂，镀锂后的辊面转离电镀液后与压辊相互挤压，将镀层中的金属锂挤压转移至极片上，实现了阴极辊镀锂与锂金属转移至极片上的连续进行，并且由于电镀锂是原子级的元素转移，因此可以根据需要实现微量级的补锂需求，极片的补锂量灵活可控，且不会出现箔材或带材补锂发生的断带而造成补锂不连续的问题，操作简单。
附图说明
图1为本发明的极片补锂装置的结构示意图。
图2为实施例２的极片补锂系统进行极片补锂的过程示意图。
图3为实施例３的极片补锂系统进行极片补锂的过程示意图。
图中：1、阴极辊；2、阳极锂锭；3、压辊；4、电镀槽；41、电镀液；5、负极极片卷；51、极片；6、电镀液的液面；7、过辊；9、极片放卷机构；10、极片收卷机构；11、第一补锂装置；12、第二补锂装置；13、第三补锂装置；14、第四补锂装置；101、柔性刮板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
实施例1
提供一种极片补锂装置。
图1为本发明的极片补锂装置的结构示意图。如图1所示，本发明的极片补锂装置，包括阴极辊1、阳极锂锭2、压辊3和电镀槽4；所述电镀槽4中容纳有镀锂用电镀液41；所述阴极辊1水平设置于所述电镀槽4的上方，所述阴极辊1可绕辊轴转动，所述阴极辊1的一部分辊面浸没在电镀液41中，另一部分辊面位于电镀液41的液面之上，所述阴极辊1与电源的负极连接；所述阳极锂锭2设置在所述电镀液41中，与电源的正极连接；所述压辊3用于将极片51辊压在所述阴极辊1上，且所述压辊3与所述阴极辊1的辊压点位于所述电镀液41的液面之上。
优选地，所述压辊３为多个；多个所述压辊３相互平行，并列设置在所述阴极辊１的周向。
优选地，所述阳极锂锭２为多个，多个所述阳极锂锭２均布在所述阴极辊１的周向。
优选地，所述阴极辊１的辊面上设置有柔性刮板101，所述柔性刮板101位于电镀液41的液面之上，且设置在所述阴极辊1的辊面转动离开电镀液的液面６的一侧，用于刮除所述阴极辊1的辊面上残留的电镀液。
实施例2
本实施例提供一种极片补锂系统。
如图2所示，本实施例的极片补锂系统包括４个极片补锂装置：第一补锂装置11、第二补锂装置12、第三补锂装置13和第四补锂装置14，上述4个极片补锂装置并排设置，且各个极片补锂装置的阴极辊相互平行，每个补锂装置之间使用两个过辊对极片进行反转，用于极片的连续多次正反交替辊压补锂。
以下制作极片并对所制极片进行补锂：
制作负极极片卷：将人造石墨、导电碳黑、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶按照95:1.0:1.5:2.5的质量比进行混合，加入去离子水制成固含量为45%的浆料，将所得浆料涂面在铜箔上，涂覆的单面面密度为8.5mg/cm2，双面涂布烘干后制成负极极片卷；涂层宽度为210mm，留白宽度为12mm。
各个补锂装置均使用宽度为210mm的电镀槽，在电镀槽中加入镀锂用电镀液，镀锂用电镀液为1.2M的六氟磷酸锂溶液，以碳酸乙烯酯和DMC碳酸二甲酯以质量比１：１为溶剂。
图2为本实施例的极片补锂系统进行极片补锂的过程示意图。如图２所示，在极片补锂的时，将第一补锂装置11、第二补锂装置12、第三补锂装置13和第四补锂装置14接通电源，并对所有的阴极辊镀锂，同时使所有的阴极辊保持持续转动。将上述制作的负极极片卷安装在极片放卷机构９上，通过极片放卷机构９将负极极片卷５上的极片51释放，调节负极极片卷５和各阴极辊的位置，使极片卷上的负极涂料区与阴极辊对齐。设定压辊３的压力为10N。阴极电镀锂的电流密度设定为10mA/cm2,极片51的走速设定为5米/min进行电镀沉积锂。所述极片51通过极片收卷机构10的带动沿图 2中箭头所示方向传动。在传动过程中，极片51先经过第一补锂装置11，使极片的正面朝向第一补锂装置11的阴极辊,在压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第一次正面补锂；然后极片经由两个过辊７反转，使极片的反面朝向第二补锂装置12的阴极辊，在第二补锂装置12的压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第一次反面补锂；再然后极片再经由两个过辊反转，使极片的正面朝向第三补锂装置13的阴极辊，在第三补锂装置13的压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第二次反面补锂；最后极片再次经由两个过辊反转，使极片的反面朝向第四补锂装置14的阴极辊，在第四补锂装置14的压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第二次反面补锂，最终由极片收卷机构10收卷，完成成卷极片的连续两次正反交替辊压补锂。最终获得两面补锂的极片，单面金属锂层厚度为1.2um。
在本实施例的极片补锂过程中，成卷的极片连续进行了交替的正面、反面各两次补锂。分成多次的进行补锂，一次少量补锂，使金属锂在极片中的分布更加均匀，金属锂与极片的结合更加牢固。并且，在连续生产时，这种补锂方式由于一次补锂少，所以一次补锂所需时间短，而多次补锂对生产线说时间占用并增加很少，而生产线转速则可提高更快，因此生产效率更高。
实施例3
本实施例提供一种极片补锂系统。
如图3所示，本实施例的极片补锂系统包括４个极片补锂装置：第一补锂装置11、第二补锂装置12、第三补锂装置13和第四补锂装置14，4个极片补锂装置并排设置，且各个极片补锂装置的阴极辊相互平行；第一补锂装置11和第二补锂装置12直接串联使用，第三补锂装置13和第四补锂装置14直接串联使用，在第二补锂装置12和第三补锂装置13之间使用过辊７对极片进行反转，使极片折返。该极片补锂系统用于极片的连续正反面各两次辊压补锂。
采用实施例２所制备的负极极片卷，使用和实施例２相同的补锂装置及相同的镀锂电镀液，采用和实施例２相同的镀锂工艺对各阴极辊镀锂。
图3为本实施例的极片补锂系统进行极片补锂的过程示意图。如图３所示，在极片补锂时，将第一补锂装置11、第二补锂装置12、第三补锂装置13和第四补锂装置14接通电源，并对所有的阴极辊镀锂，并使所有的阴极辊保持连续转动；极片放卷机构９将负极极片卷５上的极片51释放，所述极片51通过极片收卷机构10的带动沿图3中箭头所示方向传动。在传动过程中，极片51先经过第一补锂装置11使极片的正面朝向第一补锂装置11的阴极辊,在第一补锂装置11的压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第一次正面补锂；然后极片直接进入第二补锂装置12的阴极辊，极片的正面朝向第一补锂装置11的阴极辊,在第二补锂装置12的压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第二次正面补锂；再然后极片再经由一个过辊７反转，使极片的反面朝向第三补锂装置13的阴极辊，在第三补锂装置13的压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第一次反面补锂；最后再直接进入第四补锂装置14的阴极辊，在第四补锂装置14的压辊和阴极辊之间辊压进行极片的第二次反面补锂，最终由极片收卷机构10收卷，完成成卷极片的连续正反面各两次辊压补锂。
在本实施例的极片补锂过程中，成卷的极片连续进行了连续正反面各两次辊压补锂，相对于实施例２，本实施例的方法可以节约场地占用的长度。
在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。比如，对于补锂装置中阴极辊镀锂，电流密度可以在5-50 mA/cm2范围内进行选择，阴极辊的转动速度可在1-20m/min范围内选择，具体的选择依据所需的补锂量以及生产线的线速综合考虑。压辊的压力可以在1000-10000N的范围内选择，根据具体极片的厚度以及成品电池的性能来选择。
此外，以上所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。另外以上仅为本发明的部分实施例，而不是全部实施例，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的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。
Claims (9)
1.一种极片补锂装置，其特征在于，包括阴极辊、阳极锂锭、压辊和电镀槽；所述电镀槽中容纳有镀锂用电镀液；所述阴极辊水平设置于所述电镀槽的上方，所述阴极辊可绕辊轴转动，所述阴极辊的一部分辊面浸没在电镀液中，另一部分辊面位于电镀液的液面之上，所述阴极辊与电源的负极连接；所述阳极锂锭设置在所述电镀液中，与电源的正极连接；所述压辊用于将极片辊压在所述阴极辊上，且所述压辊与所述阴极辊的辊压点位于所述电镀液的液面之上。
2.如权利要求1所述的极片补锂装置，其特征在于，所述压辊为多个；多个所述压辊相互平行，并列设置在所述阴极辊的周向。
3.如权利要求1所述的极片补锂装置，其特征在于，所述阳极锂锭为多个，多个所述阳极锂锭均布在所述阴极辊的周向。
4.如权利要求1至３之一所述的极片补锂装置，其特征在于，所述阴极辊的辊面上设置有柔性刮板，所述柔性刮板位于电镀液的液面之上，且设置在所述阴极辊的辊面转动离开电镀液的液面的一侧，用于刮除所述阴极辊的辊面上残留的电镀液。
5.一种极片补锂系统，其特征在于，包括至少两个权利要求1至4之一的极片补锂装置，各个极片补锂装置并排设置，且各个极片补锂装置的阴极辊相互平行，用于极片的连续多次辊压补锂。
6.一种极片补锂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，使用权利要求1至4之一的极片补锂装置，接通电源对所述阴极辊镀锂，并使所述阴极辊保持连续转动；
步骤二，安装成卷的极片，使极片在所述阴极辊与所述压辊之间经辊压通过。
7.一种极片补锂方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，使用权利要求5所述的极片补锂系统，接通电源对各个所述阴极辊镀锂，并使各个所述阴极辊保持连续转动；
步骤二，安装成卷的极片，使极片依次在各个极片补锂装置的压辊和阴极辊之间经辊压通过，在所述极片的正面和反面分别进行辊压补锂。
8.如权利要求7所述的极片补锂方法，其特征在于，步骤二中所述极片进行辊压补锂时，所述极片的正面辊压补锂和反面辊压补锂交替进行多次。
9.如权利要求7所述的极片补锂方法，其特征在于，步骤二中所述极片进行辊压补锂时，所述极片先进行多次的正面辊压补锂，再进行多次的反面辊压补锂。
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