CN203800119U - 一种用于向基材表面补锂的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种用于向基材表面补锂的装置，包括用于供应熔融锂的锂熔融系统、用于将熔融锂从锂熔融系统输送至置于收放卷系统中的基材上的输送系统、用于供应基材的收放卷系统、用于向密封工作室提供钝化气体的钝化气体供应系统和密封工作室。相对于现有技术，本实用新型采用熔融锂对基材补锂，可以实现基材表面的安全、快速、均匀、定量、高效补锂；采用本实用新型进行补锂后的基材能够长期保存，可大大减少工厂对于固体锂粉颗粒的依赖，降低生产成本；同时本实用新型结构简单，可以大大降低成本，有利于实现工业化生产。
Description
技术领域
本实用新型属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种用于向基材表面补锂的装置。
背景技术
锂离子电池因其具有形状多样性、体积小、质量轻、尺寸薄、无记忆效应和比能量高等诸多优点，现在已被广泛应用于笔记本电脑、手机、数字播放器、数码相机、便携式录像机和电动工具等各种消费电子产品，并在将来的汽车电源、国家电网储能方面也将起到重要的作用。
随着人们对电子产品理念的转型，人们对锂离子电池的能量密度也提出了更高的要求。目前大部分锂离子电池的负极使用的活性材料为石墨和硅基材料，使用这两种活性材料制备的锂离子电池，在首次充电时会在负极表面形成固体电解质膜，消耗一部分锂离子，并且石墨与硅基材料自身还存在结构缺陷，为弥补这一缺陷还会消耗一部分锂离子，最终致锂离子电池的首次效率不能达到100%，石墨的首次效率为92%，硅基材料的首次效率只有65-85%，因此如果能将负极损耗的锂离子在首次充电前补充进来，则可以大幅度提高锂离子电池的首次效率和能量密度。
提高电池的首次效率是目前电池行业的研究方向，一些提高电池的首次效率的方法已被应用实践。例如，中国专利申请CN102916164A公开了在惰性气体保护氛围内，将锂粉溶解于有机溶剂联苯或是二甲氧基乙烷中形成有机锂溶液，再将有机锂溶液喷洒或滴加在正极极片上，使有机锂溶液中的锂离子被还原成金属锂嵌入正极极片，然后干燥正极片，实现补锂的目的。再如，中国专利申请CN102779975A将价格昂贵的包覆的金属锂粉通过加电压及震动使金属锂粉附于极片上，然后通过冷压极片达到补锂的目的。该方法主要是通过静电震动来实现，由于锂粉很轻，易漂浮，而且对环境要求较高，此外，锂粉易燃，会对操作人员造成很大的安全隐患。而且，这种金属锂粉的价格昂贵，补锂效率较低。
有鉴于此，确有必要提供一种能够实现安全、快速、高效、均匀、定量补锂的用于向基材表面补锂的装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够实现安全、快速、高效、均匀、定量补锂的用于向基材表面补锂的装置。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种用于向基材表面补锂的装置，包括用于供应熔融锂的锂熔融系统、用于将熔融锂从锂熔融系统输送至置于收放卷系统中的基材上的输送系统、用于供应基材的收放卷系统、用于向密封工作室提供钝化气体的钝化气体供应系统和密封工作室；
所述输送系统的一端与所述锂熔融系统的出料口连接，另一端设置有挤压模头，并且所述挤压模头置于所述密封工作室内；
所述钝化气体钝化系统的一端设置有气体喷嘴，并且所述气体喷嘴置于所述密封工作室内；
所述收放卷系统包括背辊机构，并且所述背辊机构置于所述密封工作室内。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述锂熔融系统包括熔融罐、真空加热器、外层保温系统、抽真空系统、惰性气体供应装置、气压控制表盘和惰性气体比例探测仪；
所述真空加热器设置于所述熔融罐的外壁和所述外层保温系统之间；
所述抽真空系统、所述惰性气体供应装置、所述气压控制表盘和所述惰性气体比例探测仪与所述熔融罐连接。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述惰性气体供应装置和所述熔融罐之间设置有惰性气体控制阀门。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述输送系统还包括输送管道、输送管道加热器、输送管道保温系统、过滤器和压力泵；
所述输送管道加热器设置于所述输送管道的外壁和所述输送管道保温系统之间；
所述过滤器设置于所述输送管道内；
所述压力泵与所述输送管道连接，并且所述压力泵与所述输送管道的连接口在所述过滤器和所述挤压模头之间。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述收放卷系统还包括用于缠绕待处理基材的放卷辊、放卷纠偏器、放卷张力调节机构、传送张力调节机构、第一传送辊、第二传送辊、收卷纠偏器、收卷张力调节机构和收卷辊；
所述放卷纠偏器设置于所述放卷张力调节机构和所述放卷辊之间；
所述放卷张力调节机构设置于所述放卷纠偏器和所述背辊机构之间；
所述传送张力调节机构、所述第一传送辊、所述第二传送辊和所述收卷纠偏器和收卷张力调节机构依次设置在所述背辊机构和所述收卷辊之间。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述钝化气体供应系统还包括钝化气体瓶、气压泵、控制部件、和气体比例传感器；
所述气压泵和控制部件依次通过输气管道密封连接于所述钝化气体瓶和所述气体喷嘴之间；
所述气体比例传感器通过输气管道密封连接于所述钝化气体瓶和所述密封工作室之间。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述挤压模头和所述背辊机构相向设置并且二者之间设置有间隙，所述气体喷嘴设置于所述间隙上方。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述背辊机构和所述挤压模头的内部均设置有加热机构。
其中，所述熔融罐、所述输送管道、所述压力泵和所述挤压模头的材质均为铬-镍奥氏体不锈钢材料。
其中，所述外层保温系统和所述输送管道保温系统的材质均为硅酸盐保温材料；所述过滤器的目数为150-300目。
作为本实用新型用于向基材表面补锂的装置的一种改进，所述真空加热器和所述输送管道加热器的内部均设置有红外管或电阻丝。
相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型将熔融锂和挤压涂布融为一体，一方面，锂融融系统将金属锂熔融后，通过输送系统输送至设置在密封工作室内的挤压模头内；另一方面，收放卷系统将基材输送至设置在密封工作室内的背辊机构；挤压模头就将熔融锂挤压涂覆至待处理基材的表面，以此同时，设置在密封工作室内的气体喷嘴将钝化气体喷在补锂后的基材上，从而在金属锂表面形成一层钝化膜，该钝化膜可以防止金属锂与空气发生反应，可以实现补锂后并且经钝化气体钝化的基材直接在空气中收卷，提高了操作安全性，而且缩小所需的密封空间，简化了装置，并且设备出现故障时，方便工人维修。
此外，本实用新型可以通过控制熔融锂通过挤压模头的速度、待处理基材的走速、背辊机构的温度实现熔融锂在待处理基材表面的均匀涂覆，以及间隙涂覆；可以根据工艺要求选择合适的基材，操作方便、简单、实用性更广。
而且，采用熔融锂对基材补锂，可以实现基材表面的安全、快速、均匀、定量、高效补锂；采用本实用新型进行补锂后的基材能够长期保存，可大大减少工厂对于固体锂粉颗粒的依赖，降低生产成本；同时本实用新型结构简单，可以大大降低成本，有利于实现工业化生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型及其有益技术效果进行详细说明。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型中熔融罐系统的横向剖视图。
图3为本实用新型中输送管道系统的横向剖视图。
其中：1-锂熔融系统，10-熔融罐系统，11-熔融罐，12-真空加热器，13-外层保温系统，14-抽真空系统，15-惰性气体供应装置，16-气压控制表盘，17-惰性气体比例探测仪；
2-输送系统，21-输送管道，22-输送管道加热器，23-输送管道保温系统，24-过滤器，25-压力泵，26-挤压模头；
3-收放卷系统，31-放卷辊，32-基材，33-背辊机构，34-第一传送辊，35-第二传送辊，36-收卷辊，37-收卷纠偏器，38-收卷张力调节机构，39-传送张力调节机构，311-放卷纠偏器，312-放卷张力调节机构；
4-钝化气体供应系统，41-钝化气体瓶，42-气压泵，43-控制部件，44-气体喷嘴，45-气体比例传感器；
5-密封工作室。
具体实施方式
如图1至3所示，本实用新型提供的一种用于向基材表面补锂的装置，包括用于供应熔融锂的锂熔融系统1、用于将熔融锂从锂熔融系统1输送至置于收放卷系统3中的基材上的输送系统2、用于供应基材的收放卷系统3、用于向密封工作室5提供钝化气体的钝化气体供应系统4和密封工作室5；
输送系统2的一端与锂熔融系统1的出料口连接，另一端设置有挤压模头26，并且挤压模头26置于密封工作室5内；
钝化气体钝化系统4的一端设置有气体喷嘴44，并且气体喷嘴44置于密封工作室5内；
收放卷系统3包括背辊机构33，并且背辊机构33置于密封工作室5内。
其中，锂熔融系统1包括熔融罐11、真空加热器12、外层保温系统13、抽真空系统14、惰性气体供应装置15、气压控制表盘16和惰性气体比例探测仪17，真空加热器12设置于熔融罐11的外壁和外层保温系统13之间（如图2所示）。其中，熔融罐11、真空加热器12和外层保温系统13统称为熔融罐系统10，其中的熔融罐11属于密封装置，用于熔融金属锂，容积可跟据实际情况而定，且熔融罐11的材质为耐腐蚀、耐高温且不与熔融锂反应的铬-镍奥氏体不锈钢材料，如316L或320铬-镍奥氏体不锈钢材料；真空加热器12用于加热熔融罐11，以熔融金属锂，其温度控制范围为100-300℃，精度控制为+/-3℃；外层保温系统13包覆在整个真空加热器12的外表面，用于对熔融罐11进行保温，其材质为硅酸盐保温材料，以保证熔融罐系统10的外侧温度不高于60℃。
抽真空系统14、惰性气体供应装置15、气压控制表盘16和惰性气体比例探测仪17与熔融罐11连接。其中，抽真空系统14与熔融罐11连通，用于在熔融锂之前，将熔融罐11内抽真空；惰性气体供应装置15用于提供惰性气体，如氦气或者氩气；气压控制表盘16用于显示熔融罐11内的真空值；惰性气体比例探测仪17用于监测熔融罐11内的惰性气体含量。
其中，惰性气体供应装置15和熔融罐11之间设置有惰性气体控制阀门，用于控制惰性气体与熔融罐11之间的连通，使熔融罐11内保持惰性气体氛围。
其中，输送系统2还包括输送管道21、输送管道加热器22、输送管道保温系统23、过滤器24和压力泵25。其中，输送管道加热器22设置于输送管道21的外壁和输送管道保温系统23之间（如图3所示）；输送管道21、输送管道加热器22、输送管道保温系统23统称为输送管道系统，输送管道21与输送系统2中所有其他部件之间的连接均需密封，用于输送熔融锂，其所用的材料为耐腐蚀、耐高温且不与熔融锂反应的铬-镍奥氏体不锈钢材料，如316L或320铬-镍奥氏体不锈钢材料；输送管道加热器22用于加热输送管道21，其设置于输送管道21的外围，其温度控制范围为100-300℃，精度控制为+/-3℃；输送管道保温系统23用于对输送管道21保温，保证输送管道系统的外层温度不高于60摄氏度，其材质为硅酸盐保温材料等保温材料。
过滤器24设置于输送管道21内，其为金属过滤网或陶瓷过滤网，外层所用材料为耐腐蚀、耐高温且不与熔融锂反应的316L或320铬-镍奥氏体不锈钢材料。该过滤器24优选为模块化设计，方便拆卸、组装。
压力泵25与输送管道21连接，并且压力泵25与输送管道21的连接口在过滤器24和挤压模头26之间。其中，压力泵25为压力流量泵，用于调节熔融锂在输送管道21中的流速，该压力泵25所使用的材料为耐腐蚀、耐高温且不与熔融锂反应的铬-镍奥氏体不锈钢材料，如316L，320铬-镍奥氏体不锈钢材料。压力泵25优选为模块化设计，方便拆卸、组装；挤压模头26能够打开或关闭，宽度为200-600mm，并且还具有加热功能，温度控制范围为150-230℃，精度控制为+/-1℃，所用的材料为耐腐蚀、耐高温且不与熔融锂反应的铬-镍奥氏体不锈钢材料，如316L或320铬-镍奥氏体不锈钢材料，挤压模头26应为模块化设计，方便拆卸、组装。
待处理的基材32经过挤压模头26时，可以通过控制熔融锂从挤压模头26挤出的速度和待处理基材32的走速，控制在待处理的基材32上涂覆熔融锂的量以及在基材前进方向上涂覆熔融锂的位置，实现间隙补锂。
其中，收放卷系统3还包括用于缠绕待处理基材32的放卷辊31、放卷纠偏器311、放卷张力调节机构312、传送张力调节机构39、第一传送辊34、第二传送辊35、收卷纠偏器37、收卷张力调节机构38和收卷辊36；其中，背辊机构33和放卷辊31中至少一个为主动辊。
放卷纠偏器311设置于放卷张力调节机构312和放卷辊31之间，用于纠正待处理基材32的传送位置。
放卷张力调节机构312设置于放卷纠偏器311和背辊机构33之间，用于调节从放卷辊31上放出的、经过放卷纠偏器311纠正位置的待处理基材32的平整度。
传送张力调节机构39、第一传送辊34、第二传送辊35和收卷纠偏器37和收卷张力调节机构38依次设置在背辊机构33和收卷辊36之间。其中，传送张力调节机构39用于调节补锂后、并且经过钝化气体处理的基材32的平整度；第一传送辊34和第二传送辊35用于传送补锂后、并且经过钝化气体处理的基材32；收卷纠偏器37用于纠正补锂后、并且经过钝化气体处理的基材32的传送位置；收卷张力调节机构38用于调节补锂后的、并且经过钝化气体处理的基材32的平整度；收卷辊36用于收卷补锂后、并且经过钝化气体处理的基材32。
其中，钝化气体供应系统4还包括钝化气体瓶41、气压泵42、控制部件43、和气体比例传感器45；
气压泵42和控制部件43依次通过输气管道密封连接于钝化气体瓶41和气体喷嘴44之间；
气体比例传感器45通过输气管道密封连接于钝化气体瓶41和密封工作室5之间。
其中，钝化气体瓶41用于供给和储存钝化气体，例如二氧化碳或二氧化氮；气压泵42用于控制钝化气体向密封工作室5供给气体时的流速和流量；当密封工作室5内的惰性气体充满后，控制部件43能关闭气压泵42；当密封工作室5的气体过充或是需要停机检修时，控制部件43通过控制气压泵42控制气体通过管道回到钝化气体瓶41内；气体比例传感器45用于监测密封工作室5中的惰性气体含量。
钝化气体瓶41、气压泵42、控制部件43、气体喷嘴44、密封工作室5和气体比例传感器45形成钝化气体的循环回路。
挤压模头26和背辊机构33相向设置并且二者之间设置有间隙，气体喷嘴44设置于间隙上方。背辊机构33与挤压模头26之间的间隙可根据补锂厚度调节，背辊机构33同时起到加热并传送放卷辊31上放出的待处理基材32的作用。气体喷嘴44最好是悬于背辊机构33上补锂后的基材的32上方，用于将钝化气体喷在涂覆熔融锂后的基材32上，在锂表面形成钝化膜，防止金属锂与空气发生反应，钝化时间为5-180s。
背辊机构33和挤压模头26的内部均设置有加热机构。
过滤器4的目数为150-300目。
真空加热器12和输送管道加热器22的内部均设置有红外管或电阻丝。
本实用新型中的基材32，为锂离子电池阳极极片或高分子塑料薄膜，阳极极片厚度为10-150μm，材料为石墨，硅基材料或锡中的一种，高分子塑料薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇醚、聚酰亚胺、聚芳砜或聚醚砜中的一种。
使用时，利用抽真空系统14对熔融罐11内部抽真空，当气压控制表盘16显示为-90pa时，关闭抽真空系统14，开启惰性气体控制阀门，使惰性气体供应装置15向熔融罐11内充入惰性气体氩气，利用惰性气体比例探测仪17探测熔融罐内氩气含量，当氩气的含量达到要求时，关闭惰性气体控制阀门，开启真空加热器12将熔融罐11加热到200℃熔融金属锂，此时，锂熔融系统1中的外层保温系统13可有效防止熔融罐11内的高温对操作人员和外界环境造成的危害，同时也方便操作。
30分钟后，首先打开输送管道加热层22使输送管道21的温度达到200℃，此时，输送系统2中的输送管道保温系统23能有效防止输送管道21中的熔融锂对操作人员和外界环境的危害，同时也方便操作。其次熔融锂经过输送管道21中的100目的过滤网22，再经过压力流量泵23最后由挤压模头26挤出，涂覆在经放卷辊31放出，依次穿过放卷纠偏器311、放卷张力调节机构312，到达背辊机构33的基材32上。背辊机构33要在熔融锂涂覆待补锂基材32之前加热到300℃，以保证在涂覆熔融锂时的均匀性。在挤压模头26向待补锂基材32表面涂覆熔融锂的同时，开启钝化气体钝化系统4，钝化气体二氧化碳经气压泵42和控制部件43到达密封工作室5中的气体喷嘴44，喷在补锂后的基材32上，在金属锂的表面生成钝化膜，补锂和钝化后的基材32经传送张力调节机构39、第一传送辊34、第二传送辊35冷却过后，经收卷纠偏器37和收卷张力调节机构38，最终到达收卷辊36收卷，得到补锂后的基材32。
在涂覆过程中，通过调节挤压模头26，可以实现间隙涂覆。具体的，当基材32的表面需要涂覆时，挤压模头26处有熔融锂挤出，而当基材32的表面不需要涂覆时，挤压模头26处停止挤出熔融锂。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
Claims (9)
1.一种用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：包括用于供应熔融锂的锂熔融系统（1）、用于将熔融锂从锂熔融系统（1）输送至置于收放卷系统（3）中的基材上的输送系统（2）、用于供应基材的收放卷系统（3）、用于向密封工作室（5）提供钝化气体的钝化气体供应系统（4）和密封工作室（5）；
所述输送系统（2）的一端与所述锂熔融系统（1）的出料口连接，另一端设置有挤压模头（26），并且所述挤压模头（26）置于所述密封工作室（5）内；
所述钝化气体钝化系统（4）的一端设置有气体喷嘴（44），并且所述气体喷嘴（44）置于所述密封工作室（5）内；
所述收放卷系统（3）包括背辊机构（33），并且所述背辊机构（33）置于所述密封工作室（5）内。
2.根据权利要求1所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述锂熔融系统（1）包括熔融罐（11）、真空加热器（12）、外层保温系统（13）、抽真空系统（14）、惰性气体供应装置（15）、气压控制表盘（16）和惰性气体比例探测仪（17）；
所述真空加热器（12）设置于所述熔融罐（11）的外壁和所述外层保温系统（13）之间；
所述抽真空系统（14）、所述惰性气体供应装置（15）、所述气压控制表盘（16）和所述惰性气体比例探测仪（17）与所述熔融罐（11）连接。
3.根据权利要求2所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述惰性气体供应装置（15）和所述熔融罐（11）之间设置有惰性气体控制阀门。
4.根据权利要求3所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述输送系统（2）还包括输送管道（21）、输送管道加热器（22）、输送管道保温系统（23）、过滤器（24）和压力泵（25）；
所述输送管道加热器（22）设置于所述输送管道（21）的外壁和所述输送管道保温系统（23）之间；
所述过滤器（24）设置于所述输送管道（21）内；
所述压力泵（25）与所述输送管道（21）连接，并且所述压力泵（25）与所述输送管道（21）的连接口在所述过滤器（24）和所述挤压模头（26）之间。
5.根据权利要求4所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述收放卷系统（3）还包括用于缠绕待处理基材（32）的放卷辊（31）、放卷纠偏器（311）、放卷张力调节机构（312）、传送张力调节机构（39）、第一传送辊（34）、第二传送辊（35）、收卷纠偏器（37）、收卷张力调节机构（38）和收卷辊（36）；
所述放卷纠偏器（311）设置于所述放卷张力调节机构（312）和所述放卷辊（31）之间；
所述放卷张力调节机构（312）设置于所述放卷纠偏器（311）和所述背辊机构（33）之间；
所述传送张力调节机构（39）、所述第一传送辊（34）、所述第二传送辊（35）和所述收卷纠偏器（37）和收卷张力调节机构（38）依次设置在所述背辊机构（33）和所述收卷辊（36）之间。
6.根据权利要求5所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述钝化气体供应系统（4）还包括钝化气体瓶（41）、气压泵（42）、控制部件（43）、和气体比例传感器（45）；
所述气压泵（42）和控制部件（43）依次通过输气管道密封连接于所述钝化气体瓶（41）和所述气体喷嘴（44）之间；
所述气体比例传感器（45）通过输气管道密封连接于所述钝化气体瓶（41）和所述密封工作室（5）之间。
7.根据权利要求1所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述挤压模头（26）和所述背辊机构（33）相向设置并且二者之间设置有间隙，所述气体喷嘴（44）设置于所述间隙上方。
8.根据权利要求1所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述背辊机构（33）和所述挤压模头（26）的内部均设置有加热机构。
9.根据权利要求4所述的用于向基材表面补锂的装置，其特征在于：所述真空加热器（12）和所述输送管道加热器（22）的内部均设置有红外管或电阻丝。
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