CN210167440U - 抑制枝晶生长的锂金属复合带材及其生产设备和储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抑制枝晶生长的锂金属复合带材，包括锂金属带材，所述锂金属带材包括锂金属层，所述锂金属层上设有用于抑制锂枝晶的锂合金层。本实用新型还公开了一种储能装置，包括正极和负极，所述正极与所述负极之间设有电子绝缘且离子导通的电解质，所述正极和/或所述负极采用如上所述的锂金属复合带材制成。本实用新型还公开了一种抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，包括：放卷机构，用于放卷锂金属带材；涂料工段，用于在锂金属层的表面涂上一层液态的所述锂合金层：定型工段，所述定型工段内设有冷却装置，使液态锂合金层冷却定型并在锂金属层表面上形成锂合金层，得到锂金属复合带材；收卷机构，用于收卷得到的所述锂金属复合带材。

Description

抑制枝晶生长的锂金属复合带材及其生产设备和储能装置

技术领域

本实用新型涉及一种储能设备技术领域，具体的为一种抑制枝晶生长的锂金属复合带材及其生产设备和储能装置。

背景技术

锂枝晶生长是影响锂离子电池安全性和稳定性的根本问题之一。锂枝晶的生长会导致锂离子电池在循环过程中电极和电解液界面的不稳定，破坏生成的固体电解质界面(SEI)膜，锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂造成低库伦效率；锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。

公开号为CN109088052A的中国专利公开了一种锡复合锂电极，包括金属锂片以及喷涂于所述金属锂片上的锡粉层，所述金属锂片的厚度为10～100μm，所述锡粉层的厚度小于10μm。该锡复合锂电极通过在金属锂片上喷涂一层锡粉层，虽然能够抑制枝晶生长，但是锡粉层会阻隔离子导通甚至导致离子隔绝，导致电池内阻增大。另外，锡粉的粒径较大，金属锂片的厚度要求要大于锡粉的粒径，因此金属锂片的厚度较厚，导致电极之间的容量不匹配，造成材料浪费，增加了制造成本并降低了储能设备的能量密度。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种抑制枝晶生长的锂金属复合带材及其生产设备和储能装置，既能够抑制枝晶生长，提高安全性能，同时又不会对储能设备的内阻造成影响，且对锂金属层厚度无特殊要求，不会影响储能设备的能量密度。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型首先提出了一种抑制枝晶生长的锂金属复合带材，包括锂金属带材，所述锂金属带材包括锂金属层，所述锂金属层上设有用于抑制锂枝晶的锂合金层。

进一步，所述锂金属带材还包括集流体带材，所述集流体带材的至少一侧侧面上复合有所述锂金属层，所述锂合金层设置在所述锂金属层背向所述集流体带材的一侧。

进一步，所述集流体带材的两侧边缘设有延伸伸出所述锂金属层外的留白区。

进一步，所述集流体带材采用但不限于铜带、铝带、钢带、镍带、银带、金带或金属材料与非金属材料复合的带材。

进一步，所述集流体带材采用网状箔材或所述带材上阵列设有通孔。

进一步，所述锂合金采用金属锂与金属锡、金属铅、金属锗、金属铟、金属锑、金属铊、金属铋和金属镓中的至少一种的合金材料。

本实用新型还提出了一种储能装置，包括正极和负极，所述正极与所述负极之间设有电子绝缘且离子导通的电解质，所述正极和/或所述负极采用如上所述的锂金属复合带材制成。

本实用新型还提出了一种如上所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，包括：

放卷机构，用于放卷锂金属带材；

涂料工段，用于在锂金属层的表面涂上一层液态的所述锂合金层：

定型工段，所述定型工段内设有冷却装置，所述冷却装置按照设定的温度-时间控制线冷却经所述涂料工段制备得到的液态锂合金层，使液态锂合金层冷却定型并在锂金属层表面上形成锂合金层，得到锂金属复合带材；

收卷机构，用于收卷得到的所述锂金属复合带材。

进一步，所述涂料工段内设有漫反射面和喷射装置，所述喷射装置用于向所述漫反射面喷射液态锂合金，所述漫反射面用于漫反射液态锂合金并使经漫反射后的液态锂合金被喷涂在锂金属层的表面，形成液态锂合金层；或，

所述涂料工段内设有刷辊组，所述刷辊组用于在锂金属层表面均匀涂刷液态锂合金，形成液态锂合金层；或，

所述涂料工段内设有喷涂装置，所述喷涂装置将液态锂合金喷涂在锂金属层表面，形成液态锂合金层；或，

所述涂料工段内设有带料辊组和用于向带料辊组进料的螺杆进料装置，所述带料辊组包括带料辊，所述带料辊将液态锂合金涂布在锂合金表面，形成液态锂合金层。

进一步，还包括用于控制所述液态锂合金层厚度的厚度控制装置。

进一步，所述厚度控制装置包括厚度控制辊组，所述厚度控制辊组包括分别位于锂金属带材两侧的厚度控制辊。

进一步，所述厚度控制辊组的进料侧设为用于使液态锂合金保持液态和流动性的涂料高温区；所述冷却装置设置在所述厚度控制辊组的出料侧。

进一步，所述冷却装置包括导风隔板，所述导风隔板背向锂金属带材的外侧设有正对所述厚度控制辊组的出料侧吹冷却介质的冷风通道，所述导风隔板与锂金属带材之间形成用于冷却介质回流的第一回流通道。

进一步，所述漫反射面漫反射液态锂合金并使液态锂合金成雾化水滴状后被喷涂在锂金属层上。

进一步，所述喷涂装置采用线性直喷喷头或采用将液态锂合金雾化后再喷出的雾化喷头。

进一步，所述锂金属带材包括集流体带材，所述锂金属层复合在所述集流体带材上，所述集流体带材的两侧边缘分别设有延伸伸出所述锂金属层外的留白区，所述涂料工段内设有用于防止液态锂合金进入到所述留白区内的压边装置或挡边装置。

进一步，还包括精整工段，所述精整工段内设有至少一组用于依次轧制所述锂金属复合带材的精整辊组，使所述锂合金层的厚度和表面精度均达到设定范围。

进一步，所述精整工段内还设有用于使锂合金层保持在便于精整成型的温度范围的精整温度控制装置。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的抑制枝晶生长的锂金属复合带材，通过在锂金属层上复合一层锂合金层，锂合金层具有抑制锂枝晶生长的作用，且锂合金层不会对离子造成阻隔作用，因此不会对储能设备的内阻造成影响；另外，锂合金层单独设置在锂金属层表面，对锂金属层的厚度没有特别要求，也即锂金属层可以根据容量匹配原则做得更薄，不会影响储能设备的能量密度。

本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，利用液态锂合金的流动性，锂金属层表面的锂合金层的厚度可以很薄，且液态锂合金的温度较高，甚至较高温度的液态锂合金可熔化锂金属层的表层，使锂合金层与锂金属层之间完全结合为一体，结合力更强。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材实施例的结构示意图；

图2为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材实施例的第二种结构示意图；

图3为储能装置实施例的结构示意图；

图4为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备的第一种方案的结构示意图；

图5为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备的第二种方案的结构示意图；

图6为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备的第三种方案的结构示意图；

图7为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备的第四种方案的结构示意图；

图8为压边装置的结构示意图；

图9为图8的A详图。

附图标记说明：

1-锂金属层；2-锂合金层；3-集流体带材；4-留白区；5-正极；6-负极；7-隔膜；

10-放卷机构；20-高温区；21-漫反射面；22-喷射装置；23-厚度控制辊组；24-第一压边装置；25-刷辊组；25a-储料槽；25b-进料辊；26-喷涂装置；27-带料辊组；28-螺杆进料装置；

30-冷却区；31-第一导风隔板；32-第一冷风通道；33-第一回流通道；

50-精整工段；51-精整辊组；52-轧制辊组；

60-收卷机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1所示，为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材实施例的结构示意图。本实施例抑制枝晶生长的锂金属复合带材，包括锂金属带材，锂金属带材包括锂金属层1，锂金属层1上设有用于抑制锂枝晶的锂合金层2。

具体的，本实施例的锂金属带材还包括集流体带材3，集流体带材3的至少一侧侧面上复合有锂金属层1，锂合金层2设置在锂金属层1背向集流体带材3的一侧。本实施例在集流体带材3的两侧侧面上均设有锂金属层1，当然，也可以仅在集流体带材3的一侧侧面上设置锂金属层1，不再累述。

进一步，本实施例的集流体带材3的两侧边缘设有延伸伸出锂金属层1外的留白区4，在将本实施例的锂金属复合带材用作储能电极时，留白区4可用于制作极耳，不再累述。

进一步，集流体带材3采用但不限于铜带、铝带、钢带、镍带、银带、金带或金属材料与非金属材料复合的带材。优选的，集流体带材3还可以采用网状箔材，或在集流体带材3上阵列设有通孔，如图2所示。通过将集流体带材3采用网状箔材或在集流体带材3上阵列设有通孔，当仅在集流体带材3的一侧设置锂金属层1时，锂金属层1嵌入到集流体带材3的网孔或通孔内，提高集流体带材3与锂金属层1之间的结合力；当集流体带材3的两侧侧面均设置锂金属层时，两侧的锂金属层1通过集流体带材3的网孔或通孔连接为一体，进一步增强结合力。

进一步，锂合金采用金属锂与金属锡、金属铅、金属锗、金属铟、金属锑、金属铊、金属铋和金属镓中的至少一种的合金材料。本实施例的锂合金采用金属锂与金属锡的合金，利用金属锡具有抑制锂枝晶生长的特性，可有效防止锂枝晶生长。

本实施例的抑制枝晶生长的锂金属复合带材，通过在锂金属层上复合一层锂合金层，锂合金层具有抑制锂枝晶生长的作用，且锂合金层不会对离子造成阻隔作用，因此不会对储能设备的内阻造成影响；另外，锂合金层单独设置在锂金属层表面，对锂金属层的厚度没有特别要求，也即锂金属层可以根据容量匹配原则做得更薄，不会影响储能设备的能量密度。

实施例2

如图3所示，为储能装置实施例的结构示意图。本实施例的储能装置，包括正极5和负极6，所述正极5与所述负极6之间设有电子绝缘且离子导通的电解质，所述正极5和/或所述负极6采用如实施例1所述的锂金属复合带材制成。

具体的，电解质可以为固态电解质，也可以为液态电解质，且当电解质7为液态电解质时，正极5与负极6之间还设有隔膜7，如图3所示。

本实施例的负极采用采用如实施例1所述的锂金属复合带材制成，正极可采用现有的多种正极活性材料以及正极集流体材料制成，不再累述。

当然，在一些实施例中，也可以将正极采用如实施例1所述的锂金属复合带材制成，甚至可以将正极5和负极6均采用如实施例1所述的锂金属复合带材制成，不再累述。

本实用新型的储能装置，通过在金属锂层的表面设置锂合金层，锂合金层能够有效抑制锂枝晶生长，能够有效提高安全性能。

实施例3

如图4-7所示，为本实用新型抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备的结构示意图。本实施例的抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，包括：

放卷机构10，用于放卷锂金属带材；

涂料工段，用于在锂金属层的表面涂上一层液态的锂合金层：

定型工段，定型工段内设有冷却装置，冷却装置按照设定的温度-时间控制线冷却经涂料工段制备得到的液态锂合金层，使液态锂合金层冷却定型并在锂金属层表面上形成锂合金层2，得到锂金属复合带材；

收卷机构60，用于收卷得到的锂金属复合带材。

进一步，涂料工段中，可以采用多种方式实现在锂金属带材上图上一层液体锂合金层的技术目的。本实施例列举了以下四种方案：

第一种方案：涂料工段内设有漫反射面21和喷射装置22，喷射装置22用于向漫反射面喷射液态金属，漫反射面22用于漫反射液态金属并使经漫反射后的液态金属被喷涂在锂金属带材的侧面上，形成液态锂合金层。本实施例在锂金属带材的两个侧面上均喷涂液态锂合金层，当然，也可以仅在锂金属带材的一侧侧面喷涂液态锂合金层，不再累述。具体的，漫反射面21漫反射液态锂合金并使液态锂合金成雾化水滴状后被涂在锂金属带材上，也即漫反射面21上凹凸不平实现对液态锂合金漫反射，且漫反射的液态锂合金之间相互碰撞雾化后，再喷涂在锂金属带材上。

第二种方案：涂料工段内设有刷辊组25，刷辊组25用于在锂金属带材侧面上均匀涂刷液态锂合金，形成液态锂合金层。具体的，本实施例的刷辊组25包括分别位于锂金属带材两侧的刷辊，两个刷辊分别在锂金属带材的两侧侧面涂刷液态锂合金层，当然，也可以仅在带材1的其中一侧设置刷辊，即仅在带材的一侧侧面涂刷液态锂合金层。刷辊的进料方式根据实际情况选择，如刷辊位于锂金属带材下方时，可以在刷辊下方设置储料槽25a，刷辊部分浸入到储料槽内的液态锂合金内。若刷辊位于锂金属带材的上方，可以直接利用喷头对刷辊喷料，也可以设置与刷辊平行的进料辊25b，进料辊25b与对应刷辊之间的间隙小于刷辊的刷毛的径向长度，将液态锂合金直接加入到进料辊25b与该刷辊之间实现进料。

第三种方案：涂料工段内设有喷涂装置26，喷涂装置26将液态锂合金喷涂在锂金属带材侧面上，形成液态锂合金层。喷涂装置26采用线性直喷喷头或采用将液态锂合金雾化后再喷出的雾化喷头。另外，根据使用要求的不同，可以仅在锂金属带材的一侧喷涂液态锂合金层，也可以同时在锂金属带材的两侧分别喷涂液态锂合金层，本实施例分别在锂金属带材的两侧设置喷涂装置26，即可在锂金属带材的两侧均喷涂液态锂合金层，不再累述。

第四种方案：涂料工段内设有带料辊组27和用于向带料辊组进料的螺杆进料装置28，带料辊组27包括带料辊，带料辊将液态锂合金涂布在锂金属带材的侧面上，形成液态锂合金层。带料辊组27可以仅在锂金属带材的一侧侧面上涂布液态锂合金，也可以同时在锂金属带材的两侧分别涂布液态锂合金层，不再累述。

进一步，本实施例抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备还包括用于控制液态锂合金层厚度的厚度控制装置。本实施例的厚度控制装置包括厚度控制辊组23，厚度控制辊组23包括分别位于锂金属带材两侧的厚度控制辊。本实施例的厚度控制辊组的进料侧设为用于使液态锂合金保持液态和流动性的涂料高温区20；冷却装置设置在厚度控制辊组的出料侧，也即厚度控制辊组23的出料侧设有用于使液态锂合金层冷却定型的冷却区30。

进一步，本实施例的冷却装置包括导风隔板31，导风隔板31背向锂金属带材的外侧设有正对厚度控制辊组的出料侧吹冷却介质的冷风通道32，导风隔板31与锂金属带材之间形成用于冷却介质回流的第一回流通道33。直接向厚度控制辊组23的出料侧吹冷却介质，可使液态锂合金经厚度控制辊组23后立即被冷却定型，防止因液态锂合金较好的流动性而导致锂合金层的厚度不均匀，也即可得到厚度可控且均匀的锂合金层2。

进一步，锂金属带材包括集流体带材3，锂金属层1复合在集流体带材3上，集流体带材3的两侧边缘分别设有延伸伸出锂金属层外的留白区4，涂料工段内设有用于防止液态锂合金进入到留白区4内的压边装置或挡边装置。本实施例的涂料工段内设有用于防止液态锂合金进入到留白区4内的压边装置24，如图8-9所示，压边装置24包括压在集流体带材3上的压条，压条采用软质耐高温的材质制成，且压条还具有不粘连锂合金材料的特性。

进一步，本实施例抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备还包括精整工段50，精整工段50内设有至少一组用于依次轧制锂金属复合带材的精整辊组51，使锂合金层2的厚度和表面精度均达到设定范围。优选的，精整工段内还设有用于使锂合金层2保持在便于精整成型的温度范围的精整温度控制装置。通过设置精整工段，不仅可以精整锂合金层的厚度以及控制锂合金层的表面精度，而且在精整工段中，通过对温度的控制，能够有效消除锂金属层和锂合金层内的内应力，提高锂合金层以及锂金属层的塑性，防止锂合金层及锂金属层内出现裂纹等缺陷，提高产品质量。本实施例在利用精整辊组51精整复合金属带2之前，采用轧制辊组52轧制锂金属复合带材。

本实施例抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，利用液态锂合金的流动性，锂金属层表面的锂合金层的厚度可以很薄，且液态锂合金的温度较高，甚至较高温度的液态锂合金可熔化锂金属层的表层，使锂合金层与锂金属层之间完全结合为一体，结合力更强。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (18)

1.一种抑制枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：包括锂金属带材，所述锂金属带材包括锂金属层，所述锂金属层上设有用于抑制锂枝晶的锂合金层。

2.根据权利要求1所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述锂金属带材还包括集流体带材，所述集流体带材的至少一侧侧面上复合有所述锂金属层，所述锂合金层设置在所述锂金属层背向所述集流体带材的一侧。

3.根据权利要求2所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述集流体带材的两侧边缘设有延伸伸出所述锂金属层外的留白区。

4.根据权利要求2所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述集流体带材采用但不限于铜带、铝带、钢带、镍带、银带、金带或金属材料与非金属材料复合的带材。

5.根据权利要求4所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述集流体带材采用网状箔材或所述带材上阵列设有通孔。

6.根据权利要求1-5任一项所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材，其特征在于：所述锂合金采用金属锂与金属锡、金属铅、金属锗、金属铟、金属锑、金属铊、金属铋和金属镓中的至少一种的合金材料。

7.一种储能装置，包括正极和负极，所述正极与所述负极之间设有电子绝缘且离子导通的电解质，其特征在于：所述正极和/或所述负极采用如权利要求1-6任一项所述的锂金属复合带材制成。

8.一种如权利要求1-6任一项所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：包括：

放卷机构，用于放卷锂金属带材；

涂料工段，用于在锂金属层的表面涂上一层液态的所述锂合金层：

定型工段，所述定型工段内设有冷却装置，所述冷却装置按照设定的温度-时间控制线冷却经所述涂料工段制备得到的液态锂合金层，使液态锂合金层冷却定型并在锂金属层表面上形成锂合金层，得到锂金属复合带材；

收卷机构，用于收卷得到的所述锂金属复合带材。

9.根据权利要求8所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：

所述涂料工段内设有漫反射面和喷射装置，所述喷射装置用于向所述漫反射面喷射液态锂合金，所述漫反射面用于漫反射液态锂合金并使经漫反射后的液态锂合金被喷涂在锂金属层的表面，形成液态锂合金层；或，

所述涂料工段内设有刷辊组，所述刷辊组用于在锂金属层表面均匀涂刷液态锂合金，形成液态锂合金层；或，

所述涂料工段内设有喷涂装置，所述喷涂装置将液态锂合金喷涂在锂金属层表面，形成液态锂合金层；或，

所述涂料工段内设有带料辊组和用于向带料辊组进料的螺杆进料装置，所述带料辊组包括带料辊，所述带料辊将液态锂合金涂布在锂合金表面，形成液态锂合金层。

10.根据权利要求8所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：还包括用于控制所述液态锂合金层厚度的厚度控制装置。

11.根据权利要求10所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：所述厚度控制装置包括厚度控制辊组，所述厚度控制辊组包括分别位于锂金属带材两侧的厚度控制辊。

12.根据权利要求11所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：所述厚度控制辊组的进料侧设为用于使液态锂合金保持液态和流动性的涂料高温区；所述冷却装置设置在所述厚度控制辊组的出料侧。

13.根据权利要求12所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：所述冷却装置包括导风隔板，所述导风隔板背向锂金属带材的外侧设有正对所述厚度控制辊组的出料侧吹冷却介质的冷风通道，所述导风隔板与锂金属带材之间形成用于冷却介质回流的第一回流通道。

14.根据权利要求9所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：所述漫反射面漫反射液态锂合金并使液态锂合金成雾化水滴状后被喷涂在锂金属层上。

15.根据权利要求9所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：所述喷涂装置采用线性直喷喷头或采用将液态锂合金雾化后再喷出的雾化喷头。

16.根据权利要求9所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：所述锂金属带材包括集流体带材，所述锂金属层复合在所述集流体带材上，所述集流体带材的两侧边缘分别设有延伸伸出所述锂金属层外的留白区，所述涂料工段内设有用于防止液态锂合金进入到所述留白区内的压边装置或挡边装置。

17.根据权利要求8-16任一项所述抑制枝晶生长的锂金属复合带材的生产设备，其特征在于：还包括精整工段，所述精整工段内设有至少一组用于依次轧制所述锂金属复合带材的精整辊组，使所述锂合金层的厚度和表面精度均达到设定范围。

18.根据权利要求17所述基于液态金属的复合金属带生产设备，其特征在于：所述精整工段内还设有用于使锂合金层保持在便于精整成型的温度范围的精整温度控制装置。

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