CN118147577A - 一种含锂复合带及其制备方法与蒸镀装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料复合加工技术领域，具体公开了一种含锂复合带及其制备方法与蒸镀装置。本发明含锂复合带的制备方法具体为：将烘干的被镀基材固定在蒸镀设备放卷室，然后将金属锂放入镀膜室的坩埚内，在真空条件下将被镀基材以特定的速度放卷，走带过程中被镀基材经过离子源清洗室除尘后，进入金属锂镀膜室，使金属锂蒸发附着在被镀基材上，形成镀锂层，经覆膜收卷后得到含锂复合带。本发明所述方法得到的含锂复合带具有厚度均匀、附着力好和尺寸可控等优势。采用本发明所述含锂复合带作为负极材料，具有均匀的锂沉积特点和优异的循环稳定性，可以缓解电池在循环过程中体积的变化。

Description

一种含锂复合带及其制备方法与蒸镀装置

技术领域

本发明涉及金属材料复合加工技术领域，尤其涉及一种含锂复合带及其制备方法与蒸镀装置。

背景技术

金属锂具有高达3860mAh·g^-1的理论比容量和-3.04V的最低电化学电势，被称为“能源金属”，是最理想的电池材料，现已广泛应用于一次锂电池中，但是纯锂箔在应用时存在易变形、易破裂的缺点，机械性能较差，因此，亟待公开一种带有基材的含锂复合带。

随着新能源汽车对高里程、长寿命的需求不断提高，对作为动力电池的锂离子电池提出了更高的能量密度要求，但现有锂离子电池在前几次循环使用过程中因SEI膜的形成而会消耗电池中的活性锂，造成电池容量有10％左右的衰减，为解决该问题，目前的方法主要是经过预锂化技术对电极材料进行补锂，该方法能够抵消形成SEI膜造成的不可逆锂损耗，以提高电池的总容量和能量密度。

电极补锂可分为正极补锂和负极补锂，其中负极补锂主要补的就是金属锂，其具有能量密度高，体积占比小，是预锂化技术的主要方向之一，目前国内外的负极补锂方式主要包括：(1)锂粉补锂：将金属锂粉直接铺撒于负极片表面，该方法简单易行，对电池容量提升效果明显，但在补锂过程中，锂粉会四处飘落，容易引起火灾或爆炸，在工艺上存在极高的安全隐患。(2)超薄锂带补锂：以辊压的方式将超薄锂带压覆在负极片铜箔等基材上。但由于超薄锂带制备工艺复杂，成本高，收卷长度短，厚度公差大，且锂与基材材料的力学性能差异较大，压合力难以控制，如压合力较小时存在锂与负极片或铜之间的结合力不足的情况，在电池的使用过程中易导致脱落；压合力较大时易导致负极片或铜箔起皱甚至破裂，影响使用。

因此，如何制备出生产成本低、厚度均匀、长度长、附着力好的含锂复合带的方法是当前锂电池研究的热点与难点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种含锂复合带及其制备方法与蒸镀装置，以解决现有的负极补锂方式存在成本过高、厚度不均、附着力差、制备难度大的问题，同时还公开了一种含锂复合带金属材料的复合加工方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含锂复合带的制备方法，将被镀基材顺次进行离子源清洗、利用金属锂进行镀膜、覆膜，得到含锂复合带；

所述镀膜的操作为加热蒸镀。

优选的，所述被镀基材包括铜带、镍带、钢带和电池负极片中的一种或几种。

优选的，所述离子源清洗、镀膜和覆膜均在真空条件下进行，离子源清洗、镀膜和覆膜所处真空环境的真空度独立的≤5×10^-3Pa。

优选的，所述离子源清洗的操作为：使电离的氩离子在外加电场的作用下轰击基材，实现对基材的清洗。

优选的，所述电场的强度为3600～4000N/C，所述离子源清洗的时间为30～60s。

优选的，所述镀膜的操作包括上镀膜和下镀膜。

优选的，所述上镀膜和下镀膜均为加热蒸镀，所述上镀膜和下镀膜的蒸镀温度独立的为400～700℃，镀膜的厚度独立的为0.1～50μm。

本发明的另一目的是提供一种由所述制备方法制备得到的含锂复合带。

本发明的再一目的是提供一种制备含锂复合带的蒸镀设备，所述蒸镀设备包括顺次连接的放卷室(1)、清洗室(2)、上镀膜室(3)、下镀膜室(4)、隔离室(5)、收卷室(6)和覆膜室(7)。

优选的，所述清洗室(2)中设置有离子源清洗装置(10)；所述上镀膜室(3)和下镀膜室(4)中均设置有冷辊(11)和中频感应加热炉(12)；所述覆膜室(7)中设置有隔膜放卷机构(14)。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明得到的含锂复合带，克服了纯锂箔在应用时易变形、易破裂的缺点，使材料具有了更好的机械性能，采用该含锂复合带作为负极材料，其在电池的循环过程中体现出了均匀的锂沉积特性和优异的循环稳定性，并且可以缓解电池在循环中的体积变化。

2、本发明公开的含锂复合带的制备方法适用于锂离子电池负极补锂，本发明公开的方法具有成本低、厚度均匀、长度长、附着力好的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明蒸镀设备正面结构示意图；

其中，1.放卷室；2.清洗室；3.上镀膜室；4.下镀膜室；5.隔离室；6.收卷室；7.覆膜室；8.放卷机构；9.导辊；10.离子源清洗装置；11.冷辊；12.中频感应加热炉；13.收卷机构；14.隔膜放卷机构；15.挡板；

图2为对比例1、实施例2和实施例5负极材料制备电池的循环图；

图3为对比例1、实施例2和实施例5负极材料制备电池的放电容量图。

具体实施方式

本发明提供了一种含锂复合带的制备方法，将被镀基材顺次进行离子源清洗、利用金属锂进行镀膜、覆膜，得到含锂复合带。

在本发明中，通过放卷和收卷的操作，使被镀基材顺次进行离子源清洗、镀膜和覆膜，走线速度优选为0.1～20m/min，具体可以为0.5m/min、1m/min、2m/min、5m/min、6m/min、8m/min、10m/min、12m/min、14m/min、15m/min、16m/min、18m/min。

在本发明中，所述被镀基材包括铜带、镍带、钢带和电池负极片中的一种或几种；所述电池负极片包括需要补锂的电池负极片。

在本发明中，所述被镀基材的含水率≤2500ppm，具体可以为100ppm、500ppm、1000ppm、1500ppm、2000ppm。

在本发明中，所述离子源清洗、镀膜和覆膜操作均在真空条件下进行，离子源清洗、镀膜和覆膜操作所处真空环境的真空度独立的≤5×10^-3Pa，具体可以为4×10^-3Pa、3×10^-3Pa、2×10^-3Pa、1×10^-3Pa、5×10^-4Pa。

在本发明中，所述离子源清洗的操作为：先电离氩气，得到氩离子；再使氩离子在外加电场的作用下轰击基材，去除被镀基材表面杂质及毛刺，实现对基材的清洗。

在本发明中，所述电场强度为3600～4000N/C，具体可以为3650N/C、3700N/C、3750N/C、3800N/C、3850N/C、3900N/C；所述离子源清洗的时间为30～60s，具体可以为35s、40s、45s、50s、55s。

在本发明中，所述镀膜的操作包括顺次进行的上镀膜和下镀膜。

在本发明中，所述上镀膜和下镀膜均为加热蒸镀，所述上镀膜和下镀膜的蒸镀的温度独立的为400～700℃，具体可以为420℃、440℃、450℃、460℃、480℃、500℃、520℃、540℃、550℃、560℃、580℃、600℃、620℃、650℃、680℃；镀膜的厚度独立的为0.1～50μm，具体可以为0.5μm、1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm。

在本发明所述的蒸镀温度下，金属锂会蒸发，然后附着在与冷辊接触的被镀基材。

本发明还提供了一种由所述制备方法制备得到的含锂复合带。

本发明还提供了一种制备含锂复合带的蒸镀设备，所述蒸镀设备包括顺次连接的放卷室(1)、清洗室(2)、上镀膜室(3)、下镀膜室(4)、隔离室(5)、收卷室(6)和覆膜室(7)。

在本发明中，所述清洗室(2)中设置有离子源清洗装置(10)；所述上镀膜室(3)和下镀膜室(4)中均设置有冷辊(11)和中频感应加热炉(12)；所述覆膜室(7)中设置有隔膜放卷机构(14)。

在本发明中，隔膜放卷机构(14)的作用为放卷隔膜，隔膜的含水率≤1000ppm，具体可以为100ppm、200ppm、400ppm、500ppm、600ppm、800ppm。

在本发明中，所述隔膜优选为聚丙烯隔膜，所述隔膜的主要作用为隔离蒸镀的含锂箔，防止金属锂镀层互相粘黏。

在本发明中，所述放卷室(1)中设置有放卷机构(8)；所述收卷室(6)中设置有收卷机构(13)；所述上镀膜室(3)和下镀膜室(4)中还设置有中频感应加热炉(12)，上镀膜室(3)和下镀膜室(4)中中频感应加热炉(12)的个数独立的为1～3个，优选为2个。

在本发明中，所述上镀膜室和下镀膜室中均设置有挡板(15)，通过调整挡板(15)的间距可以控制镀膜的幅宽，镀膜的幅宽优选≤200mm，具体可以为10mm、20mm、50mm、60mm、80mm、100mm、120mm、150mm、160mm、180mm。

在本发明中，所述放卷室(1)、上镀膜室(3)、下镀膜室(4)、收卷室(6)和覆膜室(7)中均设置有导辊(9)。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明所有实施例采用的蒸镀设备正面结构示意图如图1所示。

实施例1

1)原辅料准备，选取0.12×110mm规格的负极片100m，采用干燥箱烘干，含水率为2000ppm；隔膜选取0.035×160mm规格的PP膜，水份含量为800ppm；准备好的金属锂投入中频感应加热炉的坩埚内，调节挡板间距为80mm。

2)蒸镀时抽真空至真空度为2×10^-3Pa，开启收放卷，负极片走线速度设置5m/min，开启离子源清洗装置，通入高纯氩气(99.999％)，离子源将高纯氩气电离成氩离子，氩离子在3800N/C的外加电场的作用下轰击负极片表面，对经过清洗室的负极片表面进行清洗，清洗时间为40s，去除负极片表面杂质。

3)开启加热，上、下镀膜室蒸镀温度均设置为400℃，蒸镀过程中，隔膜在覆膜室放卷，与负极片一起收卷并冷却后破真空取出负极片-锂复合带，得到镀层厚度为2μm，镀锂宽度80mm的双面镀锂的含锂复合带。

实施例2

1)原辅料准备，选取0.12×110mm规格的负极片100m，采用干燥箱烘干，含水率为2500ppm；隔膜选取0.035×160mm规格的PP膜，水份含量为1000ppm；准备好的金属锂投入中频感应加热炉的坩埚内，调节挡板间距为80mm。

2)蒸镀时抽真空至真空度为5×10^-3Pa，开启收放卷，负极片走线速度设置5m/min，开启离子源清洗装置，通入高纯氩气(99.999％)，离子源将高纯氩气电离成氩离子，氩离子在3600N/C的外加电场的作用下轰击负极片表面，对经过清洗室的负极片表面进行清洗，清洗时间为30s，去除负极片表面杂质。

3)开启加热，上、下镀膜室蒸镀温度均设置为600℃，蒸镀过程中，隔膜在覆膜室放卷，与负极片一起收卷并冷却后破真空取出负极片-锂复合带，得到镀层厚度为5μm，镀锂宽度80mm的双面镀锂的含锂复合带。

实施例3

1)原辅料准备，选取0.006×190mm规格的铜带1000m，采用干燥箱烘干，含水率为1500ppm；隔膜选取0.035×200mm规格的PP膜，水份含量为1000ppm；准备好的金属锂投入中频感应加热炉的坩埚内，调节挡板间距为100mm。

2)蒸镀时抽真空至真空度为5×10^-3Pa，开启收放卷，铜带走线速度设置1m/min，开启离子源清洗装置，通入高纯氩气(99.999％)，离子源将高纯氩气电离成氩离子，氩离子在4000N/C的外加电场的作用下轰击铜带表面，对经过清洗室的铜带表面进行清洗，清洗时间为60s，去除铜带表面杂质及毛刺。

3)开启加热，上、下镀膜室蒸镀温度均设置为400℃，蒸镀过程中，隔膜在覆膜室放卷，与铜带一起收卷并冷却后破真空取出铜锂复合带，得到镀层厚度为10μm，镀锂宽度100mm的双面镀锂的含锂复合带。

实施例4

1)原辅料准备，选取0.006×190mm规格的铜带1000m，采用干燥箱烘干，含水率为1000ppm；隔膜选取0.035×200mm规格的PP膜，水份含量为1000ppm；准备好的金属锂投入中频感应加热炉的坩埚内，调节挡板间距为100mm。

2)蒸镀时抽真空至真空度为2×10^-3Pa，开启收放卷，铜带走线速度设置0.2m/min，开启离子源清洗装置，通入高纯氩气(99.999％)，离子源将高纯氩气电离成氩离子，氩离子在3700N/C的外加电场的作用下轰击铜带表面，对经过清洗室的铜带表面进行清洗，清洗时间为45s，去除铜带表面杂质及毛刺。

3)开启加热，上、下镀膜室蒸镀温度均设置为500℃，蒸镀过程中，隔膜在覆膜室放卷，与铜带一起收卷并冷却后破真空取出铜锂复合带，得到镀层厚度为35μm，镀锂宽度100mm的双面镀锂的含锂复合带。

实施例5

本实施例与实施例2的区别仅在于走线速度不同，得到镀层厚度为10μm的双面镀锂的含锂复合带。

对比例1

本对比例为实施例2未处理的的负极片。

实验例1

分别采用对比例1、实施例2和实施例5得到的负极材料在相同条件下制备的不同组别的电芯(对比例1对应A组、实施例2对应B组、实施例5对应C组)。在45℃环境下进行电化学性能测试，1500次循环图如图2所示，从图2可以看出1500次循环后，A、B、C三组随补锂厚度的增加，其容量保持率提高。从曲线趋势分析，其容量降低至80％所需经过的循环次数，也随着补锂厚度的增加而增多。放电容量图如图3所示，从图3可以看出经补锂后的电池，其放电容量明显增加。因此认为采用该法制备的负极片-锂复合带进行补锂时，能有效的提高电池的循环次数。检测结果数据如表1所示。

表1电化学性能检测结果说明书

从表1可以看出，45℃循环下，放电容量比例和放电容量随补锂厚度增加，其循环使用次数明显提升。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种含锂复合带的制备方法，其特征在于，将被镀基材顺次进行离子源清洗、利用金属锂进行镀膜、覆膜，得到含锂复合带；

所述镀膜的操作为加热蒸镀。

2.根据权利要求1所述的一种含锂复合带的制备方法，其特征在于，所述被镀基材包括铜带、镍带、钢带和电池负极片中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述的一种含锂复合带的制备方法，其特征在于，所述离子源清洗、镀膜和覆膜均在真空条件下进行，离子源清洗、镀膜和覆膜所处真空环境的真空度独立的≤5×10^-3Pa。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种含锂复合带的制备方法，其特征在于，所述离子源清洗的操作为：使电离的氩离子在外加电场的作用下轰击被镀基材，实现对基材的清洗。

5.根据权利要求4所述的一种含锂复合带的制备方法，其特征在于，所述电场的强度为3600～4000N/C，所述离子源清洗的时间为30～60s。

6.根据权利要求5所述的一种含锂复合带的制备方法，其特征在于，所述镀膜的操作包括上镀膜和下镀膜。

7.根据权利要求6所述的一种含锂复合带的制备方法，其特征在于，所述上镀膜和下镀膜均为加热蒸镀，所述上镀膜和下镀膜蒸镀的温度独立的为400～700℃，镀膜的厚度独立的为0.1～50μm。

8.权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到的含锂复合带。

9.制备权利要求8所述含锂复合带的蒸镀设备，其特征在于，所述蒸镀设备包括顺次连接的放卷室(1)、清洗室(2)、上镀膜室(3)、下镀膜室(4)、隔离室(5)、收卷室(6)和覆膜室(7)。

10.根据权利要求9所述的蒸镀设备，其特征在于，所述清洗室(2)中设置有离子源清洗装置(10)；所述上镀膜室(3)和下镀膜室(4)中均设置有冷辊(11)和中频感应加热炉(12)；所述覆膜室(7)中设置有隔膜放卷机构(14)。