CN207325175U - 一种在金属箔表面涂布石墨烯的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在金属箔表面涂布石墨烯的装置，包括控制单元和沿金属箔运动方向依次设置的放卷单元、涂布印刷装置、烘烤单元和收卷单元，所述的金属箔为铝箔或铜箔；涂布印刷装置包括自上而下层叠设置的压辊、主动硅胶辊和主动钢辊，主动硅胶辊和主动钢辊反方向转动并保持微米级的间隙；主动钢辊浸入在盛有粘性物料的胶体池内，基材设置在压辊和主动硅胶辊之间。本实用新型中实现了亚微米级厚度及更薄层的物料在基材表面的均匀喷涂，适应了石墨烯涂覆在金属箔上的厚度要求，并具有良好的附着力，有效降低了碳颗粒与金属箔之间的接触电阻。

Description

一种在金属箔表面涂布石墨烯的装置

技术领域

本实用新型属于动力电池/超级电容器技术领域，具体涉及一种在金属箔上涂布石墨烯的装置。

背景技术

动力电池和超级电容器广泛地用于新能源技术领域，在动力电池和超级电容器中，电极的极片是一个关键部件，通常需要涂布机将功能材料如碳颗粒、碳纳米纤维、石墨烯等均匀涂覆在金属箔(铜箔或铝箔)表面上。常见涂布机的原理类似凹版印刷机，将成卷的基材通过传动机构传送至涂覆印刷区，将功能材料涂覆至基材表面的指定位置处，然后经过烘干、收卷等，用于后续产品的制作。其中所涂覆介质的厚度、均匀性、粘附力、幅宽大小、位置精度和涂覆速率均是其衡量指标。

中国专利“锂电池极片涂布机(201320299315.1)”公开了一种锂电池极片涂布机，该机由极片放卷装置、张力调节装置、料浆涂布装置、烘干装置和收卷装置组成，其存在的问题是采用常规的涂布机方案，无法实现石墨烯材料在金属箔上的涂覆，这是由于工业石墨烯只有在很薄层的条件下才具有良好的导电特性，而且厚度越薄越接近单层石墨烯则导电性能越佳，故石墨烯涂碳金属箔要求在金属箔上涂覆很薄而均匀的石墨烯材料，并且石墨烯与基材要具有较强的附着能力，而现有的石墨烯用的涂布方法即网线辊涂布(微凹版及凹版涂布)，难以满足这种涂覆要求，无法确保极片的电学性能。

实用新型内容

本实用新型提出了一种在金属箔基材上涂覆石墨烯的装置，采用三辊旋转的结构，由一对转动方向相反、具有一定转速差的主动转辊将石墨烯粘性物料挤压、拉伸和延展后，再依靠压辊转印至金属箔表面，实现了基材连续运转过程中石墨烯在金属箔表面的涂覆，胶层薄而均匀，且具有较强的附着力，满足了动力电池和超级电容器的制造要求，同时在涂覆之前设置了基材表面处理环节，提高了功能材料与金属箔之间的粘附力，减小了接触电阻。

本实用新型的技术方案如下

一种在金属箔表面涂布石墨烯的装置，包括控制单元和沿金属箔运动方向依次设置的放卷单元、涂布印刷装置、烘烤单元和收卷单元，所述的金属箔为铝箔或铜箔；

所述的涂布印刷装置包括自上而下层叠设置的压辊、主动硅胶辊和主动钢辊，主动硅胶辊和主动钢辊反方向转动并保持微米级的间隙；主动钢辊浸入在盛有粘性物料的胶体池内，基材设置在压辊和主动硅胶辊之间，所述的基材依托在支撑辊上，所述的压辊在升降单元的驱动下，将基材压贴在主动硅胶辊的上表面；所述的主动钢辊将粘性物料粘附在辊体表面，经过主动硅胶辊和主动钢辊之间的间隙挤压延展后形成粘附在主动硅胶辊表面的胶体薄膜，再经压辊转印至基材的表面。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，主动硅胶辊与主动钢辊转速的线速度之比为 1.1-1.5倍，且主动硅胶辊与主动钢辊之间的间隙可调节。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，烘烤单元包括若干只烘干通道，实现金属箔从 40℃-120℃-200℃-100℃-常温的分段升温和降温，烘道内间隔设置有传动辊，金属箔支撑在传动辊上，传动辊在烘道外部的动力传动装置驱动下带动金属箔走料。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，在金属箔表面涂布石墨烯的装置还包括在放卷单元和涂布装置之间设置的高压放电处理装置，所述的高压放电处理装置包括在金属箔待处理表面设置的多只高压放电处理单元，每只高压放电处理单元包括高压箱体、负压抽风装置、高压源和若干只长条状的放电电极；所述的金属箔卷绕在高压放电辊上，放电电极设置在高压箱体开口的前端，并沿高压放电辊轴向平行设置在高压放电辊的圆周；所述的放电电极与金属箔保持间隙，其产生电弧作用至金属箔，使得金属箔表面产生凹坑和凸点；所述的高压箱体的后端设置有负压出风口，出风口与外部的负压抽风装置相连通。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，放电电极与金属箔之间的间隙为2-4mm。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，在金属箔表面涂布石墨烯的装置还包括在涂布印刷装置后续设置的挤压匀胶装置；所述的挤压匀胶装置包括动力传动单元、压力调节单元和挤压匀胶辊，挤压匀胶辊设置在摆臂上，并在压力调节单元的作用下压贴在涂有物料的基材表面，所述的挤压匀胶辊在动力传动单元的驱动下沿基材运动方向的逆方向转动。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，摆臂包括固定端和摆动端，固定端通过转轴活动联接在机架上，挤压匀胶辊设置在摆臂的摆动端上，压力调节单元改变摆臂的摆动角度，使得挤压匀胶辊压贴在涂有物料的基材表面。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，动力传动单元包括第一带轮、第二带轮、第三带轮和匀胶电机，所述的第一带轮设置在摆臂的摆动端，第二带轮设置在摆臂的固定端，所述的第一带轮和挤压匀胶辊同轴联接，第三带轮和匀胶电机设置在机架上，匀胶电机驱动第三带轮转动，通过皮带带动第二皮带轮转动，并带动第一带轮和挤压匀胶辊同步转动。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，在金属箔表面涂布石墨烯的装置还包括在涂布环节中设置的多只张力控制装置，所述的张力控制单元包括主动辊、摆辊、大齿轮、小齿轮、电位器、摆杆、气缸和控制中枢；摆杆沿垂直方向设置，摆辊设置在摆杆的下端，摆杆的上端与大齿轮固联且沿大齿轮的轴心摆动；气缸的活塞杆通过活动铰链固定在摆杆的中部，随着摆杆的摆动活塞杆伸缩；小齿轮安装在电位器转轴的轴头，并与大齿轮相啮合；基材设置在主动辊和摆辊上，主动辊设置有动力驱动装置，控制中枢与动力驱动装置和电位器电联接。

上述在金属箔表面涂布石墨烯的装置中，气缸与储气罐联通，控制中枢与储气罐的调压阀门电联接，控制中枢调节调压阀门的参数实现储气罐输出压力的调节。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

一、本实用新型中利用石墨烯粘性物料在两只转速不同、旋转方向相反的转辊下的挤压、拉伸和延展作用下，在胶辊表面形成一定厚度的胶层面，再依靠压辊将物料转印至连续走料的基材表面，形成了薄而均匀的涂层，实现了亚微米级厚度及更薄层的物料在基材表面的均匀喷涂，适应了石墨烯涂覆在金属箔上的厚度要求，并具有良好的附着力，有效降低了碳颗粒与金属箔之间的接触电阻，进而使电池的整体性能产生巨大的提升，即抑制电池极化、减少热效应、提高倍率性能。

二、本实用新型的主动硅胶辊和主动钢辊的转速差，以及主动硅胶辊和主动钢辊之间的间隙均可调，适应了不同粘性物料和涂布石墨烯厚度的要求。同时支撑辊、主动硅胶辊和主动钢辊均为空心轴结构，在空心轴内部安装了加热单元，加热单元可采用电加热棒也可采用流动的介质导热油，并采用PID自动温度控制，同时胶体池底部也设置有加热装置，涂布过程中主动辊的温度根据物料的特性参数和工艺设定，减小了温度差带来的形变，保证了产品的质量，同时物料的温度、密度和粘度均保持一致，使得涂布后的薄膜均匀一致。

三、本实用新型在金属箔涂覆石墨烯之前，对基材进行了实时在线表面高压放电蚀刻和粗糙化处理，采用多台高压电源加载在高压放电辊上对基材的正反面进行高密度大面积大功率多次放电处理，在金属箔的正反表面形成了与涂覆的石墨烯颗粒尺度相当且均匀分布的凹坑，故该涂布机生产的涂碳铝箔或铜箔(磷酸铁锂电池正负极材料预涂；锰酸锂电池正负材料预涂；超级电容器电极涂层：三元材料电池电极涂层)能提供极佳的静态导电性能，收集活性物资的微电流，从而大幅度降低正负极材料和集流之间的接触电阻，并能提高两者之间的附着能力(附着能力比常规未经放电表面处理表面提高5倍以上)，可减少粘合剂的使用量，进而使电池的整体性能产生巨大的提升，即抑制电池极化、减少热效应、提高倍率性能；降低电池内阻，并显著降低了循环过程电芯的动态内阻增幅，提高一致性，大幅增加电池的循环寿命；提高活性物资与集流体的粘附力，降低极片制造成本；保护集流体不被电解液腐蚀；改善磷酸铁锂材料的加工性能。

四、本实用新型的放卷、收卷及中间涂布工位三种工作过料中有材料纠偏装置，保证材料不会偏离，同时有全自动张力控制系统，实现了稳定的张力控制。确保了金属箔在涂布加工中张力的恒定和变形量一致，确保了涂布介质层的厚度均匀性和喷涂质量。

五、本实用新型在设备中设置了多组闭环张力控制装置，确保了整个涂布过程中金属箔的张力保持恒定和横向位置稳定，从而确保了石墨烯涂布过程以及收卷过程中的均匀性和一致性，最终确保了制备获得的涂碳金属箔导电特性的一致性和稳定性。张力控制装置采用摆杆和齿轮角度放大结构，可对生产中金属箔的张力变化进行测量放大并反馈至主动辊上，实现了稳定的闭环张力控制；同时还可通过调节控制气缸的压力对所需的张力进行调节，满足了不同场合的需求。

六、本实用新型在涂布工位后增加了挤压匀胶装置，采用压力可调的匀胶辊在涂布后反方向挤压抹平匀胶，进一步增加了石墨烯料粒与基底的接触面积，增加了附着力，改善了成品涂碳金属箔的导电特性。

附图说明

图1为本实用新型石墨烯在金属箔上涂布的装置组成原理示意图；

图2为本实用新型高压放电处理单元的原理示意图；

图3为本实用新型高压放电处理装置的原理示意图；

图4为本实用新型张力控制装置的原理示意图；

图5为本实用新型张力控制装置中大小齿轮啮合示意图；

图6为本实用新型张力控制装置中力矩平衡原理示意图；

图7为本实用新型涂布印刷装置的原理示意图；

图8为本实用新型涂布过程中涂布印刷装置的原理示意图；

图9为本实用新型涂布印刷装置的结构示意图；

图10为本实用新型挤压匀胶装置的原理示意图。

图中：1—放卷单元；2—张力传感器；3—高压放电处理装置；4—第一纠偏装置；5—金属箔；6—转辊；7—第一张力控制装置；8—涂布印刷装置；12—烘干通道；16—第二纠偏装置；17—第二张力控制装置；23—传动辊；28—第三纠偏装置；29—高压放电处理单元；31—胶体池；32—主动钢辊；33—薄层胶膜；34—主动硅胶辊；35—压辊；303—加热棒；304—机架；306—轴端；308—轴端支撑；315—带轮；316—传动带；350—支撑辊；351—条形压板；352—铰链轴；353—压辊气缸；354—胶辊气缸；355—限位块；356—架板；357—调节螺钉；359—滑块；41—收卷单元；43—挤压匀胶装置；701—主动辊；702—驱动电机； 703—小齿轮；704—大齿轮；705—气缸；706—活塞杆；707—摆杆；708—摆辊；709—电位器；710—控制中枢；711—储气罐；712—电位器转轴；715—上转辊；716—下转辊；81 —出风口；82—高压箱体；83—放电电极；84—气流；85—高压放电辊；86—电弧；901—导电介质物料；902—涂布版辊；903—刮刀；904—压印胶辊；905—第一带轮；906—挤压匀胶辊；907—匀胶电机；908—皮带；909—摆臂；911—蜗轮；912—蜗杆；913—手轮；914—匀胶辊转动方向；915—第二带轮；916—摆臂摆动方向；925—第三带轮；920—固定端；921 —摆动端；923—转轴。

具体实施方式

本实用新型的动力电池/超级电容器用极片涂布机是将石墨烯浆料一次性均匀地涂覆在铝箔或铜箔上，最终剪裁成所需的极片，其要求是石墨烯与金属箔具有良好的附着力和极小的接触电阻，以减少热效应，提高倍率性能。

如图1所示，本实用新型的石墨烯涂布机包括控制单元和沿金属箔5运动方向依次设置的放卷单元1、高压放电处理装置3、涂布单元、烘烤单元和收卷单元41；其中金属箔5采用铝箔或铜箔。

一、放卷单元

放卷单元1包括放卷轮、张力传感器2、第一纠偏装置4和若干转辊6，动力装置在磁粉制动器作用下驱动放卷轮，使得金属箔5展开，在金属箔5上设置有张力传感器2，张力控制器2与放卷单元1的磁粉制动器形成闭环控制，确保金属箔5的张力保持恒定，且可以认为设定。在金属箔5的放卷单元1位置处还设置了第一纠偏装置4，采用红外线检测头检测，实现金属箔5运行中间过程纠偏，并保持位置一致。

二、高压放电处理装置

高压放电处理是本实用新型区别于传统极片涂布机的要点之一，传统的极片涂布机一般将基材进行清洁处理后直接进行涂布，也有采用电晕处理。电晕处理是其原理是利用高频率高电压在被处理的塑料表面电晕放电，而产生低温等离子体，使塑料表面产生游离基反应而使聚合物发生交联.表面变粗糙并增加其对极性溶剂的润湿性，这些离子体由电击和渗透进入被印体的表面破坏其分子结构，进而将被处理的表面分子氧化和极化，离子电击侵蚀表面，以致增加承印物表面的附着能力，主要用于硅橡胶、塑料基材的表面处理。

本实用新型在印刷工序之前设置了高压放电处理环节，采用高压放电击穿的方法，一方面使得金属箔表面的油脂气化，起到了清洁的作用，同时在放电电极产生的空气电离、以及电离产生的臭氧和氧原子作用下，对金属箔的表面进行蚀刻和粗糙化处理，使得金属箔的处理表面形成了与涂覆的石墨烯颗粒尺度相当且均匀分布的凹坑，涂覆介质容易嵌入至凹坑内部，并与基底紧密结合，提高了接触面积和附着力，在减小粘合剂使用量的条件下，降低了介质与基底之间的接触电阻，可提高电池的充放电特性。

如图2和图3所示，本实用新型的高压放电处理装置包括在金属箔表面设置的多只高压放电处理单元29，每只单元包括高压箱体82、负压抽风装置、高压源和若干只放电电极83，放电电极83沿高压放电辊85轴向平行设置在高压放电辊85的圆周，并与金属箔5保持一定的间距，放电电极83产生电弧86作用至金属箔5。放电电极83设置在高压箱体82内部的前端，高压箱体82的后端设置有负压出风口81，出风口81与外部的负压抽风装置相连通。通常一只高压放电辊85周围可以放1-2组高压放电处理单元，每组高压放电处理单元则包括2-6只放电电极83。

为了满足在金属箔5的表面形成蚀刻和粗糙化处理的效果，通常需要在同一只高压放电辊85周围设置多根放电电极83，这些放电电极83在高压放电时会产生大量的热，如果这些热不能瞬时排出，则会使得金属箔表面产生较高温升，金属箔物理性能因退火而变化。通常对于大热量的散热采用的是水冷方式，即在高压放电辊85内部加工若干管路通入冷水，高压放电辊85产生的热通过金属箔及金属高压放电辊85传导并由水带走，这种方式可有效降低高压放电的热，但是却无法满足动力电池/超级电容器涂碳工艺要求，这是因为当放电辊64通入冰水后，辊体表面因温度差辊体表面会预冷结露结霜，进而导致金属箔5的表面产生水雾，而涂碳工艺中采用的是水性介质材料，遇水会后性能变化，影响涂布质量。此外在高压放电辊85内部通水时，会影响到高压放电辊85转动时的动平衡，导致转速不稳，影响到涂布的均匀性，故只能采用风冷的方式。

为了满足大热量的风冷，本实用新型采用大功率的负压抽风装置，负压抽风装置联接在高压箱体82后侧的出风口81上，同时电极和金属箔的间隙设置为2-4mm，优选3mm，只有这样才能保证大流量的气流84将热带走，达到降温的目的，同时，大流量的空气在高压的作用下电离效果加强，并产生了更多的臭氧和氧原子，从而加强了对金属箔的表面进行蚀刻和粗糙化处理。此外高压放电辊85采用铝合金表面喷涂抗氧化陶瓷制成，具有耐高温和耐摩损特性，承受长时间的高压放电仍保持原有的传动精度。高压放电处理完毕的金属箔需要尽快进入下一步的涂布环节，防止金属箔尤其是铝箔在空气中裸露后会氧化成三氧化二铝，影响内阻特性。

本实用新型采用长度为600mm-1200mm的陶瓷电极，每根电极上加载的平均功率为1-2kW，电压频率为10-20KHz，电极和金属箔的间隙为2-4mm，金属箔走料速率为 50m/min-180m/min，高压放电辊的直径为320mm，每根高压放电辊85上设置4-12只电极，整个涂布机上设置了4-12只正反各半的高压放电辊85。其中放电功率、电极根数和走料速度以及喷涂碳颗粒的直径相关，在结构确定的情况下，可通过调节放电功率来满足不同走料速度和不同尺寸碳颗粒的喷涂要求。

通过在高压处理前后在铝箔表面刷达因水测量表面张力、显微镜观察材料表面以及测量涂碳后产品的内阻，结果表明：

(1)经过高压放电处理后的铝箔，在显微镜下观察到其表面产生了平均尺度约50nm—1000nm的凹坑和凸点，与涂覆的石墨烯尺度基本相当，而且通过改变加载至电极的电压，可以改变凹坑和凸点的尺度，以便适用于不同直径的石墨烯材料。

这种凹坑和凸点产生的机理目前尚未得知，只是猜测是由于高压电弧产生的热烧蚀、等离子体冲击产生的凹坑，或者是氧气电离产生的臭氧和氧原子作用下，使得原先铝箔表面致密的三氧化二铝还原成不再致密的铝，进而在显微镜下呈现为凹坑结构，也有可能是两种作用相互结合。

(2)通过刷达因水测量未经高压放电处理的铝箔和经过高压放电处理的铝箔，其表面张力由平均10gf提高至50gf，提高了5倍。

(3)采用相同工艺\相同设备制成的涂碳铝箔产品，经过高压放电处理的产品内阻减小至未经高压放电处理的产品的1/3以上，极限情况下内阻接近为零，且电池的充放电特性有显著提高。

三、涂布单元

涂布单元包括中间纠偏单元、张力控制装置、涂布印刷装置和挤压匀胶装置，在涂布印刷装置之前需要进行中间纠偏和张力控制。

(1)中间纠偏单元

材料在涂布印刷装置之前需要进行中间纠偏和张力控制。中间纠偏单元采用超声波电眼检测头，金属箔5进入涂布前的双辊中间进行纠偏，保证物料进入涂布工序前位置恒定，并保证在纠偏过程中金属箔不起皱。其中第一纠偏装置4实现了放电处理前的基材整体纠偏，确保了整幅金属箔高压放电表面处理时横向位置的一致性；在涂布前设置了第二纠偏装置 16，确保了涂布时材料横向位置与涂布版辊位置的恒定；在收卷之前设置了第三纠偏装置 28，确保了收卷后成品端面的整齐性。根据金属箔传送的精度要求，还可设置多组其他的中间纠偏单元。

(2)张力控制装置

张力控制装置的目的是实现整个涂布过程中金属箔的张力保持恒定和横向位置稳定，特别是在涂布过程中，只有恒定张力下的印刷涂布，才能保证金属箔表面印刷物料的均匀性和一致性，最终确保了制备获得的涂碳金属箔导电特性的一致性和稳定性。

本实用新型在涂布环节中设置了多组张力控制装置，其中第一张力控制装置7设置在进料牵引与涂布之前，确保了涂布时材料张力恒定与横向位置稳定；第二张力控制装置17设置在收卷之前，确保了收卷后成品的张力稳定性。根据金属箔的传输精度要求，还可以在放卷、进料牵引环节和其他中间环节中设置类似的张力控制装置，确保整个加工过程中的张力恒定和基材横向位置稳定。

如图4-6所示，本实用新型的张力控制装置包括主动辊701、大齿轮704、摆杆707、摆辊708、气缸705、电位器709和控制中枢710。平时工作时，金属箔5沿主动辊701、上转辊715、摆辊708和下转辊716的示意方向顺序前进，主动辊701依靠电机702驱动，或者由电机通过同步带驱动主动辊701转动。核心部件是一根沿垂直方向的摆杆707，摆辊708 则固定在摆杆707的下端。摆杆707的上端与大齿轮704固定在一起，并可沿大齿轮704的轴心摆动；气缸705固定在支架上，气缸705的活塞杆706通过活动铰链固定在摆杆707的中部，随着摆杆707的摆动活塞杆706伸缩。

大齿轮704的对应位置上安装有电位器709，电位器转轴712的轴头安装有小齿轮703，大齿轮704和小齿轮703参数匹配并相互啮合，当摆杆707摆动时，带动大齿轮704转动一个较小的角度，同时带动小齿轮703转动一个较大的角度，引起电位器709的电阻变化。小齿轮703、大齿轮704和摆杆707的作用是一个角度放大并测量的作用，摆杆707的微小变化角度，经过大小齿轮的放大作用，反映在电位器709的电阻变化上。

如图6所示，实际工作时，金属箔的张力会作用至摆辊708形成对摆辊的拉力F2和F3，而气缸在负压工作时会对摆杆707产生F1拉力，其中F1和F2、F3方向相反。在平衡状态时，摆杆707垂直向下时，F1和F2+F3保持力矩平衡，这时记录电位器709的电阻参数为 R，一旦金属箔5的张力突然变大，即F2+F3变大，则摆杆707上的力矩平衡破坏，摆杆707 绕转轴逆时针转动，偏离垂直位置，同时经过大小齿轮的角度放大后，电位器709的电阻R 变化，假设电阻R变大，则控制中枢710根据电阻R的增大幅值调节电机702的输入电参数，使得电机702的输出转速增大，主动辊701随之也转速增加，在增加的瞬间更多的金属箔5被释放至摆辊708上，则摆辊708在F1的拉力作用下会克服F2和F3的作用恢复至平衡位置，同时电位器709的电阻恢复为R，控制中枢710会驱动电机702的输出转速恢复至常规参数，从而保持金属箔的张力恒定。反之亦然，也就是说张力的变化均通过摆杆和大小尺寸的角度放大作用后，反馈至电位器阻值的变化，进一步通过调节驱动电机的转速进行补偿，使得金属箔的张力始终保持恒定。

需要说明的是，本实用新型的气缸705与储气罐711相连通，储气罐711的输出压力F1可通过控制中枢710改变调压阀门的参数实现压力的改变，满足不同金属箔张力的需要。此外，由于大齿轮704转动的角度有限，也可以采用半齿轮结构；气缸705采用低摩擦气缸，活塞移动中阻力可忽略。整个涂布机设置了若干组张力控制机构，分别用于涂布前、收卷前等多个环节的张力控制。

(3)涂布印刷装置

现有的胶辊涂布单元采用涂布版辊浸在液态的物料中，运转时将导电介质物料粘附在辊体上，经刮刀挂走多余的物料后，用压印胶辊将物料均匀涂布在金属箔上，这种方案的涂布的胶层厚度较厚且均匀度不佳，难以满足石墨烯涂覆厚度和均匀性要求。

如图7-9所示，石墨烯涂布印刷装置8包括自上而下层叠设置的压辊35、主动硅胶辊 34和主动钢辊32，主动硅胶辊34和主动钢辊32反方向转动并保持一定的间隙，间隙在微米级。主动钢辊32浸在胶体池31内部，基材5设置在压辊35和主动硅胶辊34之间，并在动力牵引下支撑在支撑辊350前进，其前进的方向与主动硅胶辊34的上顶点的离心力方向一致。胶体池31内部事先进行物料配置，将石墨烯和溶剂配置成粘稠状的液态物料；其粘度系数采用3号恩氏杯测量，流净的时间为15-25秒。

压辊3在升降单元的驱动下升降，升降单元优选压辊气缸353，压辊气缸353推动设置在机架304上滑块359，滑块359与轴端支撑308相固联，进而驱动压辊3上下移动。轴端支撑308在实现压辊3转动支撑的同时，随着滑块359上下移动，压辊3两端均设置了轴端支撑308，并配置了两只同步升降的压辊气缸353，实现整个压辊3的升降。

如图7所示，涂布工作前，压辊3远离基材5且不转动。图8所示，涂布开始时压辊 35在压辊气缸353的作用下，将基材5压贴至主动硅胶辊34的上表面，此时基材5前进，带动压辊35转动。主动硅胶辊34和主动钢辊32依靠各自的传动机构进行传动，传动机构优选带轮315和传动带316，其中传统带选用无噪音及同步性能较好的同步带传动系统，也可以采用齿轮传动等其他方式。

涂布过程中，胶体池31内的液态物料被主动钢辊32带动至主动硅胶辊34的表面，在两只辊子的挤压、拉伸和延展作用下形成薄层胶膜33，再经过压辊35转印至连续走料的基材5上，实现基材的涂布。主动硅胶辊34和主动钢辊32之间有间隙，且两个辊子之间有速度差，其中主动硅胶辊34比主动钢辊32转速快，转速比与胶体粘度系数和涂布厚度相关。

图8中可看出，胶体池31内的液态粘性物料由主动钢辊32带动至辊体右侧，经过主动硅胶辊34和主动钢辊32之间缝隙的挤压、拉伸和延展，加上主动硅胶辊34比主动钢辊 35的转速快，这种转速差加剧了对胶体的碾展，使得经过缝隙的胶体形成粘附在主动硅胶辊34左侧的胶体薄膜33，胶体薄膜33随着主动硅胶辊34转动至基材5的位置处，再在压辊35的作用下，转印至基材5的下表面，形成很薄的物料薄膜。为了使得转印均匀，确保物料薄膜涂布的一致性，要求基材5前进的速率与主动硅胶辊34的上顶点的线速率一致，只有基材5和主动硅胶辊34的线速率保持一致，才能确保物料不会在基材5上堆积及短缺，确保转印的前后一致性，而压辊35则是在基材5的带动下进行转动。

为了适应不同的胶体的粘度、流动性等参数和喷涂厚度，除了调节带轮转速对主动硅胶辊34和主动钢辊32的速度差进行调节外，本实用新型的主动硅胶辊34和主动钢辊32之间的间隙也同样可调，其调节的原理如图7-9所示。在主动硅胶辊34的轴端设置了条形压板 351，条形压板351的固定端(也就是图7和图8中条形压板的左边部分)通过铰链轴352活动联接在机架304上，可以绕铰链轴352转动，而不能移动；条形压板351的活动端(也就是图7和图8中条形压板的右边部分)通过铰链与胶辊气缸354的活塞杆固联，在胶辊气缸354的作用下活动端可以上下微调；而主动硅胶辊34的轴端支撑308固联在条形压板351 的中部，优选的方式是条形压板351的中部开通孔，轴端支撑308支撑并限位在该通孔上。在胶辊气缸354的作用下，条形压板351的活动端上下位移，进而带动主动硅胶辊34上下产生微小的位移。为了防止调节位移过大，在条形压板351活动端的下部设置了限位块355，使得位移调节过程中活动端触碰至限位块355后停止运动，对主动硅胶辊34起到了保护作用，并确保了最小的涂布厚度尺寸。该限位块355依靠螺钉固定在架板356上，并通过细牙调节螺纹实现限位块355微小位移的精细调节。而主动钢辊32的上下位置不可调节，依靠两端的轴端支撑308固定在机架304上。其中主动钢辊32和压辊35均采用表面镀铬的钢制光辊，主动硅胶辊34则采用硅胶材料制成的软辊，表面具有一定的弹性。

此外为了保持胶层涂布的均匀性，压辊35、主动硅胶辊34和主动钢辊32均为空心轴结构，在空心轴内部安装了加热单元，加热单元可以是固定在机架304上的加热棒，辊子转动时其保持不动，加热棒通过控制单元的温控装置实现温度的恒定；此外胶体池31底部也设置有加热装置。其目的是保证涂布过程中基材的温度和变形量一致，同时胶体的温度、密度和粘度均保持前后一致，这样涂布后的介质薄膜才会比较均匀。

除了采用电加热棒外，也可以采用造纸行业常采用的油加热辊，也就是说压辊35、主动硅胶辊34和主动钢辊32的辊体内部设置有油道，通过旋转接头将加热的油注入辊体内部的油道，并采用PID自动温度控制实现辊体表面的恒温，使得涂布后的介质薄膜才会比较均匀。试验结果表明，主动硅胶辊34与主动钢辊32的线速度之比为1.1-1.5最佳，优选1.3倍可达到最佳涂布效果，在金属箔5的表面实现了亚微米级及更薄厚度的石墨烯均匀涂布，目前制备的石墨烯厚度分布在50nm至1000nm，其制备的涂碳金属箔产品其内阻远小于相同工艺下的碳纳米管和纳米石墨，极限情况下内阻接近为零，且电池的充放电特性有显著提高。

(4)挤压匀胶装置

挤压匀胶的目的是确保涂布后介质更加均匀，通过挤压工序，介质料粒被压入材料表面的凹坑，附着力更强。如图10所示，本实用新型在涂布机在涂布完毕后增加了挤压匀胶装置43，在料粒还没有干燥的情况下加压抹平，进一步增加了料粒与基底的接触面积，减小了成品的内阻，提高了产品质量。

本实用新型挤压匀胶装置的核心是一只高速转动的挤压匀胶辊906，以及动力传动单元和压力调节单元。挤压匀胶辊906安装在摆臂909上，以一定的压力压贴在刚涂布好导电介质物料的金属箔5表面，并在动力驱动下沿着与金属箔5前进方向相反的方向转动。

动力传动单元包括匀胶电机907、第一带轮905、第二带轮915、第三带轮925和相应的皮带908，其中挤压匀胶辊906设置在摆臂909的摆动端921上，摆臂的固定端920通过转轴923活动联接在机架上，固定在机架上的匀胶电机907驱动第三带轮925转动，通过皮带带动第二皮带轮915和第一皮带轮905转动，第一皮带轮905和挤压匀胶辊906同轴联接并同步转动，其中匀胶电机907采用变频调速电机，可根据物料不同来调节转速。

压力调节单元包括蜗轮911和蜗杆912，其中蜗轮911、第一皮带轮905和挤压匀胶辊 906均设置在摆臂909上，蜗轮911固联在摆臂909的固定端920，且在蜗杆912转动的驱动下可以绕转轴923转动。蜗杆912固定在机架上，蜗杆的前端设置有手轮913，转动手轮 913，蜗杆912随之转动，并驱动蜗轮911绕轴心转动，使得摆臂909沿图中摆臂摆动方向 916摆动一定的角度，这时挤压匀胶辊906则压贴在金属箔5的表面上，且压力可通过手轮 913进行调节，调节完毕后再蜗轮蜗杆的自锁下压力保持恒定。

这样以来，挤压匀胶辊906以一定的压力压贴在金属箔5表面并高速运转，且匀胶辊转动方向914与金属箔5前进方向相反，故将涂布好的物料抹平并压实在高压放电处理得到的凹坑内，进一步增加了料粒与基底的接触面积，减小了涂碳金属箔产品的内阻。

挤压匀胶辊906采用45#钢调质处理后表面镀硬铬，镀层足够厚，最大线速度达到150m/min，可实现压力和转速的调节，满足不同布料的需求。

四、烘烤单元

为了实现喷涂后产品的快速成型，需要对涂布后的产品进行烘烤处理。烘道采用梯度升温及梯度降温的具体方案，每条烘道由多节烘箱组成，在连续高速生产的条件下，实现了涂布后卷材的梯度升温和降温，克服了金属箔突热突冷带来的折皱，确保了产品质量，并保证了连续高速不间断涂布生产。

图1中，烘烤单元12包括立式烘干通道和若干卧式烘干通道，每只烘干通道长度约2-5 米，采用电加热交换器结合高压风机吹风的方式，在涂布机连续生产的条件下，实现了金属箔从40℃-120℃-200℃-100℃-常温的分段升温和降温。温控采用PID(比例-积分-微分控制器)自动温控的方式，确保了温控精度达到1℃。

以上逐级温控的方式在连续高速生产的条件下，克服了金属箔5突热突冷带来的折皱，确保了产品质量，并保证了连续高速不间断涂布生产。

此外金属箔在烘道中全程张力支撑，依靠同步带与外部动力相连并进行传动，轴承置于烘箱外。烘道的传动辊为镜面辊，钢质表面镀铬并经过超精磨加工，光洁度为0.8，镜面辊加工精度高、摩擦力小，传动中可以避免辊体表面对材料的损伤，减少折皱，满足精密传动的要求。烘烤时采用镜面辊支撑，避免悬浮烘烤时张力不均匀对产品的影响。

五、收卷单元

收卷单元41的牵引采用一对钢辊和胶辊对压对滚式牵引，钢辊表面镀铬。胶辊的压合与分离采用气动控制，由电磁换向阀进行换向，两端气缸的压力可以显示和调节。放卷牵引电机采用浮辊张力控制，金属箔在浮辊上的包角很大，浮辊采用表面阳极氧化铝辊。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如采用高压放电处理单元对金属箔的两个表面进行处理，并进行双面涂布机烘烤等，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：包括控制单元和沿金属箔(5)运动方向依次设置的放卷单元(1)、涂布印刷装置、烘烤单元和收卷单元(41)，所述的金属箔(5)为铝箔或铜箔；

所述的涂布印刷装置包括自上而下层叠设置的压辊(35)、主动硅胶辊(34)和主动钢辊(32)，主动硅胶辊(34)和主动钢辊(32)反方向转动并保持微米级的间隙；主动钢辊(32)浸入在盛有粘性物料的胶体池(31)内，金属箔(5)设置在压辊(35)和主动硅胶辊(34)之间，所述的金属箔(5)依托在支撑辊(350)上，所述的压辊(35)在升降单元的驱动下，将金属箔(5)压贴在主动硅胶辊(34)的上表面；所述的主动钢辊(32)将粘性物料粘附在辊体表面，经过主动硅胶辊(34)和主动钢辊(32)之间的间隙挤压延展后形成粘附在主动硅胶辊(34)表面的胶体薄膜(33)，再经压辊(35)转印至金属箔(5)的表面。

2.根据权利要求1所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：所述的主动硅胶辊(34)与主动钢辊(32)转速的线速度之比为1.1-1.5倍，且主动硅胶辊(34)与主动钢辊(32)之间的间隙可调节。

3.根据权利要求1所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：所述的烘烤单元(12)包括若干只烘干通道，实现金属箔从40℃-120℃-200℃-100℃-常温的分段升温和降温，烘道内间隔设置有传动辊(23)，金属箔支撑在传动辊(23)上，传动辊(23)在烘道外部的动力传动装置驱动下带动金属箔(5)走料。

4.根据权利要求1所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置还包括在放卷单元(1)和涂布装置之间设置的高压放电处理装置(3)，所述的高压放电处理装置(3)包括在金属箔(5)待处理表面设置的多只高压放电处理单元(29)，每只高压放电处理单元包括高压箱体(82)、负压抽风装置、高压源和若干只长条状的放电电极(83)；所述的金属箔(5)卷绕在高压放电辊(85)上，放电电极(83)设置在高压箱体(82)开口的前端，并沿高压放电辊(85)轴向平行设置在高压放电辊(85)的圆周；所述的放电电极(83)与金属箔(5)保持间隙，其产生电弧(86)作用至金属箔(5)，使得金属箔表面产生凹坑和凸点；所述的高压箱体(82)的后端设置有负压出风口(81)，出风口(81)与外部的负压抽风装置相连通。

5.根据权利要求4所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：放电电极(83)与金属箔之间的间隙为2-4mm。

6.根据权利要求1所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置还包括在涂布印刷装置后续设置的挤压匀胶装置；所述的挤压匀胶装置包括动力传动单元、压力调节单元和挤压匀胶辊(906)，挤压匀胶辊(906)设置在摆臂(909)上，并在压力调节单元的作用下压贴在涂有物料的金属箔表面，所述的挤压匀胶辊(906)在动力传动单元的驱动下沿金属箔运动方向的逆方向转动。

7.根据权利要求6所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：所述的摆臂(909)包括固定端(920)和摆动端(921)，固定端(920)通过转轴(923)活动联接在机架上，挤压匀胶辊(906)设置在摆臂(909)的摆动端(921)上，压力调节单元改变摆臂(909)的摆动角度，使得挤压匀胶辊(906)压贴在涂有物料的金属箔表面。

8.根据权利要求6所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：所述的动力传动单元包括第一带轮(905)、第二带轮(915)、第三带轮(925)和匀胶电机(907)，所述的第一带轮(905)设置在摆臂(909)的摆动端(921)，第二带轮(915)设置在摆臂(909)的固定端(920)，所述的第一带轮(905)和挤压匀胶辊(906)同轴联接，第三带轮(925)和匀胶电机(907)设置在机架上，匀胶电机(907)驱动第三带轮(925)转动，通过皮带(908)带动第二带轮(915)转动，并带动第一带轮(905)和挤压匀胶辊(906)同步转动。

9.根据权利要求1所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置还包括在涂布环节中设置的多只张力控制单元，所述的张力控制单元包括主动辊(701)、摆辊(708)、大齿轮(704)、小齿轮(703)、电位器(709)、摆杆(707)、气缸(705)和控制中枢(710)；摆杆(707)沿垂直方向设置，摆辊(708)设置在摆杆(707)的下端，摆杆(707)的上端与大齿轮(704)固联且沿大齿轮(704)的轴心摆动；气缸(705)的活塞杆(706)通过活动铰链固定在摆杆(707)的中部，随着摆杆(707)的摆动活塞杆(706)伸缩；小齿轮(703)安装在电位器转轴(712)的轴头，并与大齿轮(704)相啮合；金属箔(5)设置在主动辊(701)和摆辊(708)上，主动辊(701)设置有动力驱动装置，控制中枢(710)与动力驱动装置和电位器(709) 电联接。

10.根据权利要求9所述的在金属箔表面涂布石墨烯的装置，其特征在于：气缸(705)与储气罐(711)联通，控制中枢(710)与储气罐(711)的调压阀门电联接，控制中枢(710)调节调压阀门的参数实现储气罐(711)输出压力的调节。