CN211265644U - 一种用于锂离子电池负极材料的预锂化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于锂离子电池负极材料的预锂化装置。该预锂化装置包括阳极区、阳极导电引线、阴极区、阴极导电引线、隔板组件和监测控制系统；隔板组件将预锂化装置的内部空间分隔为阳极区和阴极区；阳极导电引线连接阳极区和监测控制系统；阴极导电引线连接阴极区和监测控制系统；进料口位于阴极区的顶板上部，用于向阴极区注入锂离子电池负极材料；出料口位于阴极区的下部，用于将预锂化后的锂离子电池负极材料导出阴极区。本实用新型的预锂化装置不需要将锂离子电池负极材料预制成电极片，直接对氧化亚硅粉体颗粒进行预锂化，产物经分离、低温干燥处理后仍然是粉体颗粒。

Description

一种用于锂离子电池负极材料的预锂化装置

技术领域

本实用新型涉及一种预锂化装置，特别涉及一种锂离子电池负极材料的预锂化装置。

背景技术

目前，锂离子电池已经广泛应用于通信、便携式电子设备、交通等各个领域，尤其是近几年随着新能源电动车的兴起，使锂离子电池市场迅猛发展，同时，对锂离子电池的能量密度等性能提出了越来越高的要求。传统的锂离子电池负极材料——石墨，已经达到其容量的瓶颈，无法满足动力市场的需求，因此，相对于石墨负极材料具有容量高、循环性能优异的硅基负极材料是目前锂离子电池负极材料的研究重点，例如氧化亚硅。

但是，由于氧化亚硅在首次脱嵌过程中会形成大量不可逆的锂硅酸盐，存在首次放电效率低的缺陷。因此，如何提高氧化亚硅的首次充放电效率成为决定其进一步大规模应用的关键。

目前，预锂化是对氧化亚硅首次效率进行改进的主要方式，例如使用锂粉、锂片进行补锂，但这些技术需预制极片，对设备要求高，成本高，并且存在一定的安全风险，故亟需开发一种简单、高效的用于锂离子电池负极材料预锂化的装置。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中用于锂离子电池负极材料的预锂化装置需预制极片的缺陷，提供了一种用于锂离子电池负极材料的预锂化装置，不需要将锂离子电池负极材料预制成电极片，可以直接对粉体颗粒进行预锂化。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：一种用于锂离子电池负极材料的预锂化装置，所述预锂化装置包括阳极区、阳极导电引线、阴极区、阴极导电引线、隔板组件和监测控制系统；

所述预锂化装置的上部设有顶板；

所述隔板组件将所述预锂化装置的内部空间分隔为所述阳极区和所述阴极区；

所述阳极区包括锂电极片、夹具、电解液进口、阳极进气口和阳极出气口；

所述夹具的一端用于夹持锂电极片；所述夹具的另一端用于连接所述阳极导电引线；

所述阳极导电引线连接所述阳极区和所述监测控制系统；

所述电解液进口位于所述阳极区的顶板上部，用于向阳极区注入电解液；

所述阴极区包括导电网络、进料口、出料口、阴极进气口和阴极出气口；

所述导电网络填充于所述阴极区的空间；

所述阴极导电引线连接所述阴极区和所述监测控制系统；

所述进料口位于所述阴极区的顶板上部，用于向所述阴极区注入所述锂离子电池负极材料；

所述出料口位于所述阴极区的下部，用于将预锂化后的锂离子电池负极材料导出阴极区。

本实用新型中，所述隔板组件可由固定隔板、隔膜和可动隔板组成。

其中，所述隔膜可夹设于所述固定隔板和所述可动隔板之间，构成夹层结构。

其中，所述固定隔板和所述可动隔板可用于固定所述隔膜。

其中，所述可动隔板可沿着垂直于所述顶板的方向移动。所述可动隔板移动后，便于拆卸和/或更换隔膜。

其中，所述固定隔板和所述可动隔板可为多孔状结构。所述多孔状结构便于电解液接触并浸润隔膜，减小锂离子阻抗。

其中，所述隔膜可为本领域常规的隔膜。

本实用新型中，所述阳极区的顶板上可设有条形孔，用于放置和/或更换锂电极片。

其中，所述阳极导电引线可从所述条形孔引出。所述条形孔与一绝缘橡胶盖配合，所述绝缘橡胶盖用于填补所述条形孔的开口，使所述阳极区的空间密封。

本实用新型中，所述锂电极片可浸入在所述阳极区的电解液中。所述锂电极片优选为浸没在所述阳极区的电解液中，从而提高锂电极片的利用率。

本实用新型中，所述阳极进气口和所述阳极出气口可位于所述阳极区的顶板上部。

本实用新型中，所述导电网络可充满于所述阴极区的空间。

其中，所述导电网络可为多孔导电金属构成的网状结构。所述多孔导电金属的结构可为三维多孔结构，使锂离子电池负极材料与导电网络充分接触。

其中，所述多孔导电金属可为多孔泡沫镍、多孔泡沫铜或透气钢，优选为多孔泡沫镍。

其中，所述多孔泡沫镍的孔径可根据所述锂离子电池负极材料的粒径进行选择。所述多孔泡沫镍的孔径优选为所述锂离子电池负极材料的粒径的3～5倍。

本实用新型中，所述阴极导电引线的一端可连接所述导电网络，所述阴极导电引线的另一端可连接所述监测控制系统。

本实用新型中，所述阴极进气口和所述阴极出气口可位于所述阴极区的顶板上部。

本实用新型中，所述监测控制系统可采用本领域常规电池测试系统，用于控制电流以及检测电压，例如蓝电电池测试系统、新威电池测试系统、Arbin电池测试系统或电化学工作站；优选为Arbin电池测试系统。

其中，所述监测控制系统可监控所述锂离子电池负极材料的预锂化程度。

本实用新型中，所述锂离子电池负极材料可为本领域常规的锂离子电池负极材料，优选为硅基负极材料。所述硅基负极材料优选为硅氧基负极材料，更优选为氧化亚硅。

本实用新型中，所述锂离子电池负极材料的形态可为粉体颗粒。

本实用新型中，优选将所述粉体颗粒与电解液混合匀浆，得到活性物质浆料，再将所述活性物质浆料注入阴极区。

本实用新型中，优选地，所述预锂化的期间，所述锂电极片浸入在所述电解液中，优选为浸没在所述电解液中。

本实用新型中，优选地，所述预锂化的期间，将所述阳极区通氮气，除去水和/或氧气，再加入所述电解液。

本实用新型中，所述预锂化的期间所述进料口和出料口优选为密封状态。

本实用新型中，所述预锂化完成后，可得到出料。所述出料可为预锂化后的粉体颗粒和电解液的混合浆液。所述混合浆液可分离得到预锂化后的粉体颗粒和电解液。所述分离可为离心分离和/或过滤分离。

本实用新型中，优选地，将所述分离得到的预锂化后的粉体颗粒经过低温干燥处理。所述低温处理的温度可为60℃～120℃。

本实用新型中，优选地，所述分离后的电解液可补充锂盐后再次使用。

本实用新型中，所述电解液可为本领域常规的电解液。

本实用新型的积极进步效果在于：

(1)本实用新型的预锂化装置不需要将锂离子电池负极材料预制成电极片，直接对氧化亚硅粉体颗粒进行预锂化，产物经分离、低温干燥处理后仍然是粉体颗粒，在后期电池制备和应用中限制少。

(2)本实用新型的预锂化装置装完料后整体密封，内部自成惰性环境，对环境要求不高，锂电极片在溶液环境中不会起火爆炸，安全系数高。

(3)本实用新型的预锂化装置通过电压、电流控制预锂化的程度，只形成锂硅酸盐而不形成锂硅合金，无锂单质析出，预锂化后的产物可以稳定存放于常规环境条件下。

(4)本实用新型的预锂化装置可实现规模化、批量化生产，且预锂化过程中电解液可重复使用，不会产生环境危害。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的预锂化装置的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例的预锂化装置夹层结构的结构示意图。

图3为本实用新型一实施例的预锂化后的氧化亚硅粉体颗粒的XRD图。

附图标记说明：

锂电极片 1

夹具 2

阳极导电引线 3

电解液进口 4

条形孔 5

阳极进气口 61

阳极出气口 62

固定隔板 7

隔膜 8

可动隔板 9

导电网络 10

出料口 11

进料口 12

阴极进气口 131

阴极出气口 132

阴极导电引线 14

监测控制系统 15

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。

实施例1

一种用于氧化亚硅的预锂化装置，包括阳极区、阳极导电引线3、阴极区、阴极导电引线14、隔板组件和监测控制系统15；

其中，所述预锂化装置的上部设有顶板；

隔板组件将所述预锂化装置的内部空间分隔为阳极区和阴极区；

隔板组件由固定隔板7、隔膜8和可动隔板9组成；隔膜8夹设于固定隔板7和可动隔板9之间，构成夹层结构；固定隔板7和可动隔板9用于固定隔膜8；可动隔板9可沿着垂直于顶板的方向移动，移动后便于拆卸和/或更换隔膜8；

阳极区包括锂电极片1、夹具2、电解液进口4、阳极进气口61和阳极出气口62；

夹具2的一端夹持锂电极片1，夹具2的另一端连接阳极导电引线3；阳极区的顶板上设有条形孔5，阳极导电引线3从条形孔5引出，并采用绝缘橡胶盖填补条形孔5的开口，使所述阳极区的空间密封；阳极导电引线3连接阳极区和监测控制系统15；

阴极区包括导电网络10、进料口12、出料口11、阴极进气口131和阴极出气口132；

其中，导电网络10充满于阴极区的空间；导电网络10为多孔泡沫镍；阴极导电引线14连接阴极区的导电网络10和监测控制系统15；监测控制系统15为蓝电电池测试系统，用于控制电流以及检测电压。

本实用新型中预锂化装置的工作流程为：

打开阳极进气口61、阳极出气口62、阴极进气口131和阴极出气口132，通入干燥的惰性气体置换装置内空气，气体置换完成后关闭阳极进气口61、阳极出气口62、阴极进气口131和阴极出气口132；

在手套箱中使用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)对锂电极片1进行表面包覆，包覆后的锂电极片1具有一定的对空气稳定性，然后在手套箱中采用夹具2夹持锂电极片1，并连接阳极导电引线3；

打开条形孔5的绝缘橡胶封口，从条形孔5向阳极区放入锂电极片1，立即封好绝缘橡胶封口5；

将氧化亚硅粉体颗粒与电解液混合匀浆后，形成活性物质浆料；

打开电解液进口4和进料口12同时分别加入电解液和活性物质浆料，加入完毕后关闭电解液进口4和进料口12，将阳极导电引线3和阴极导电引线14连接到监测控制系统15，设置程序开始进行预锂化过程；

预锂化结束后，同时打开阴极进气口131和出料口11开始出料，出料即为预锂化后的活性物质，出料完成后关闭阴极进气口131和出料口11。

将预锂化后的活性物质离心分离，得到预锂化后的氧化亚硅粉体颗粒和电解液；将预锂化后的氧化亚硅粉体颗粒100℃低温干燥处理后，即得产物(预锂化后的氧化亚硅粉体颗粒)。

本实施例中的预锂化装置，在工作期间，通过蓝电电池测试系统进行电压监控，在氧化亚硅颗粒表面形成固体电解质界面膜和锂硅酸盐，从而实现氧化亚硅的预锂化。对预锂化后的氧化亚硅粉体颗粒进行X射线衍射(XRD)测试，其XRD图谱上有硅和锂硅酸盐的峰，证明了本实施例中预锂化装置的预锂化效果，如图3所示。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于锂离子电池负极材料的预锂化装置，其特征在于，所述预锂化装置包括阳极区、阳极导电引线、阴极区、阴极导电引线、隔板组件和监测控制系统；

所述预锂化装置的上部设有顶板；

所述隔板组件将所述预锂化装置的内部空间分隔为所述阳极区和所述阴极区；

所述阳极区包括锂电极片、夹具、电解液进口、阳极进气口和阳极出气口；

所述夹具的一端用于夹持锂电极片；所述夹具的另一端用于连接所述阳极导电引线；

所述阳极导电引线连接所述阳极区和所述监测控制系统；

所述电解液进口位于所述阳极区的顶板上部，用于向阳极区注入电解液；

所述阴极区包括导电网络、进料口、出料口、阴极进气口和阴极出气口；

所述导电网络填充于所述阴极区的空间；

所述阴极导电引线连接所述阴极区和所述监测控制系统；

所述进料口位于所述阴极区的顶板上部，用于向所述阴极区注入所述锂离子电池负极材料；

所述出料口位于所述阴极区的下部，用于将预锂化后的锂离子电池负极材料导出阴极区。

2.如权利要求1所述的预锂化装置，其特征在于，所述隔板组件由固定隔板、隔膜和可动隔板组成；

所述隔膜夹设于所述固定隔板和所述可动隔板之间，构成夹层结构；

所述固定隔板和所述可动隔板用于固定所述隔膜。

3.如权利要求2所述的预锂化装置，其特征在于，所述可动隔板沿着垂直于所述顶板的方向移动；

所述固定隔板和所述可动隔板为多孔状结构。

4.如权利要求1所述的预锂化装置，其特征在于，所述阳极区的顶板上设有条形孔，用于放置和/或更换锂电极片；

所述阳极导电引线从所述条形孔引出；

所述条形孔与一绝缘橡胶盖配合，所述绝缘橡胶盖用于填补所述条形孔的开口，使所述阳极区的空间密封。

5.如权利要求1所述的预锂化装置，其特征在于，所述阳极进气口和所述阳极出气口位于所述阳极区的顶板上部。

6.如权利要求1所述的预锂化装置，其特征在于，所述导电网络充满于所述阴极区的空间；

所述导电网络为多孔导电金属构成的网状结构；

所述多孔导电金属的结构为三维多孔结构。

7.如权利要求1所述的预锂化装置，其特征在于，所述阴极导电引线的一端连接所述导电网络，所述阴极导电引线的另一端连接所述监测控制系统。

8.如权利要求1所述的预锂化装置，其特征在于，所述阴极进气口和所述阴极出气口位于所述阴极区的顶板上部。

9.如权利要求1所述的预锂化装置，其特征在于，所述监测控制系统为蓝电电池测试系统、新威电池测试系统、Arbin电池测试系统或电化学工作站。

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