CN214956958U - 锂离子电池用干法电极的制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了锂离子电池用干法电极的制备装置，属于锂离子电池领域，包括集流体，集流体依次通过放卷机、预压机、粉料填充槽、第一辗轧机、乳液填充槽、烘箱和收卷机；预压机，将集流体碾压到厚度要求值；粉料填充槽，将粉料填充到集流体孔隙中；第一辗轧机，对集流体进行碾压，集流体横断面形成均匀孔隙；乳液填充槽，将粘结剂乳液填充到集流体孔隙中；烘箱，对经过的集流体进行烘干；收卷机，将集流体收卷。本实用新型降低充放电过程中电极极化，实现长寿命、快速充放的需求。

Description

锂离子电池用干法电极的制备装置

技术领域

本实用新型属于锂离子电池领域，涉及新能源汽车的锂离子电池，尤其涉及锂离子电池用干法电极的制备装置。

背景技术

随着锂离子电池在新能源领域的广泛应用，越来越多的问题在使用过程中暴露出来。新能源乘用车的续航里程短、电池衰减快、快速充放时安全隐患高等是行业内急需解决的问题。

锂离子电池的电极由活性物质、添加剂、导电剂、粘结剂、集流体组成，湿法工艺是目前行业内常用的电极制造技术。生产时先将活性物质、添加剂、导电剂、粘结剂、溶剂混炼制作成膏状浆料，将浆料附着在集流体上。集流体搭载浆料进入烘箱，在烘箱中将溶剂烘出，活性物质、添加剂、导电剂、粘结剂等形成多孔状涂附薄层附着在集流体上，再经辊压、冲切形成电极。

湿法工艺在实际应用中发现，在烘干过程中，由于溶剂的蒸发迁移引起粘结剂、添加剂、导电剂迁移二次分布的现象，是这种工艺无法规避的问题。技术人员在烘干温度、速度等多方面做研究，意在减少烘干带来的缺陷，但无法从根本上避免。近几年，多层涂布也是行业内研究的课题，通过多层涂布、调整不同涂布层的成份比例，以减少烘干时成份迁移带来的影响,但是仍然无法避免。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是在于提供锂离子电池用干法电极的制备装置，降低充放电过程中电极极化，实现长寿命、快速充放的需求。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：锂离子电池用干法电极的制备装置，包括集流体，所述集流体依次通过放卷机、预压机、粉料填充槽、第一辗轧机、乳液填充槽、烘箱和收卷机；

所述预压机，将集流体碾压到厚度要求值；

所述粉料填充槽，将粉料填充到集流体孔隙中；

所述第一辗轧机，对集流体进行碾压，集流体横断面形成均匀孔隙；

所述乳液填充槽，将粘结剂乳液填充到集流体孔隙中；

烘箱，对经过的集流体进行烘干；

收卷机，将集流体收卷。

进一步的，所述放卷机与所述预压机之间依次设有第一张力辊和第一缓冲辊，所述第一张力辊设在所述放卷机的下方，所述第一缓冲辊设在所述第一张力辊和预压机的上方，调节集流体的张力。

进一步的，所述预压机包括上下对应设置的上辊和下辊，所述下辊固定设置，所述上辊相对下辊上下移动调整固定。

进一步的，所述粉料填充槽包括粉料槽体，所述粉料槽体内部包括从上到下成对设置的第一毛刷填充辊、第二毛刷填充辊和毛刷清粉辊，所述第一毛刷填充辊和第二毛刷填充辊将粉料填充到集流体孔隙中，所述毛刷清粉辊清除集流体表面的浮粉。

进一步的，第一毛刷填充辊、第二毛刷填充辊、毛刷清粉辊的刷毛材质尼龙612或磨料尼龙、刷毛长度30mm-50mm、刷毛丝直径0.1mm≤ф≤0.5mm,刷第一毛刷填充辊、第二毛刷填充辊、毛刷清粉辊的辊轴心材质SUS304或以上、直径≥50mm。

进一步的，所述第一辗轧机的辊直径500mm≤ф≤800mm，材质3％Cr钢，表面硬度Hs 95-96，淬火层深度：≥10mm，圆跳动≤0.002mm，辊面粗糙度Ra0≤0.1，直线度±0.0015mm以下，真圆度±0.001mm以下，辊隙0-50mm可调，调节精度0.001mm，辊间压力最大400T,调节精度0.1T。

进一步的，所述乳液填充槽包括乳液槽体，所述乳液槽体内包括依次设置的导向辊、第一填充辊和第二填充辊，第一填充辊和第二填充辊将粘结剂乳液充满到集流体表面，乳液槽体中的乳液液面高于导向辊、第一填充辊和第二填充辊上边缘20mm-60mm。

进一步的，导向辊、第一填充辊和第二填充辊材质为SUS304,表面镀络30um以上，辊径均为200mm-1000mm，三辊辊径一致且在同一水平高度，转速100rpm-500rpm可调，转速调节精度不低于2rpm，浸润角D、E一致且20°≤浸润角≤60°。

进一步的，所述烘箱采用红外陶瓷加热片加热，所述集流体为三维网状结构。

进一步的，所述烘箱与所述收卷机之间依次设有第二碾压机、第二缓冲辊和第二张力辊，所述第二碾压机的结构与所述第一碾压机的结构相同。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和积极效果如下。

1、本实用新型采用干法工艺，将活性物质、导电剂、添加剂粉体混合均匀后，然后充填到集流体中，经过一次碾压，利于一次碾压后孔隙率高、多孔结构的特点，将粘结剂液体填充到孔隙中，再将孔隙中的溶剂缓慢烘干，粘结剂形成薄膜覆盖在粉料颗粒间、粉料颗粒和集流体骨架间，起到粘结的目的，粘结完成后半成品经过二次碾压达到设计的孔隙率，同时提出一种适用于锂离子电池使用的三维导电网络的集流体，从根本上解决当前使用的铜箔、铝箔一维电子传导路径的缺陷，通过干法工艺和三维导电网络集流体的应用，从根本上降低充放电过程中电极极化，实现长寿命、快速充放的需求；

2、本实用新型的结构，可实现集流体的均匀涂覆，粉料填充槽可根据集流体预碾压厚度、填充粉量等设计多级填充，毛刷清粉辊清除集流体表面的浮粉，保证填充的均匀性；

3、本申请中，集流体经过乳液填充槽时，粘结剂乳液中的溶剂缓慢蒸发，粘结剂形成薄膜覆盖在孔壁上，起到颗粒间、颗粒与集流体骨架间的粘结作用，本方案使用一级填充轮填充方式，填充效率低时，可采用二级或多级填充轮逐级填加；根据料带孔隙体积、粘结剂加入量、乳液粘度、浸润性、填充效率等调节粘结剂的固含量，保证乳液填充的均匀性，提升集流体的强度，电极电阻率降低，电池性能提升。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型锂离子电池用干法电极的制备装置的结构示意图；

图2是本实用新型粉料填充槽的结构示意图；

图3是本实用新型乳液填充槽的结构示意图。

附图标记：

1、放卷机；2、第一张力辊；3、第一缓冲辊；4、预压机；5、粉料填充槽；51、粉料槽体；52、第一毛刷填充辊；53、第二毛刷填充辊；54、毛刷清粉辊；6、第一主动辊；7、第一碾压机；8、乳液填充槽；81、乳液槽体；82、导向辊；83、第一填充辊；84、第二填充辊；85、入料口；9、烘箱；10、第二主动辊；11、第二碾压机；12、第二缓冲辊；13、第二张力辊；14、收卷机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细说明。

如图1～图3所示，锂离子电池用干法电极的制备装置，包括集流体20，集流体20依次通过放卷机1、预压机4、粉料填充槽5、第一辗轧机、乳液填充槽8、烘箱9和收卷机14；

预压机4，将集流体20碾压到厚度要求值；

粉料填充槽5，将粉料填充到集流体20孔隙中；

第一辗轧机，对集流体20进行碾压，集流体20横断面形成均匀孔隙；

乳液填充槽8，将粘结剂乳液填充到集流体20孔隙中；

烘箱9，对经过的集流体20进行烘干；

收卷机14，将集流体20收卷。

优选地，放卷机1与预压机4之间依次设有第一张力辊2和第一缓冲辊3，第一张力辊2设在放卷机1的下方，第一缓冲辊3设在第一张力辊2和预压机4的上方，调节集流体20的张力。

优选地，预压机4包括上下对应设置的上辊和下辊，下辊固定设置，上辊相对下辊上下移动调整固定，方便调整预压的间隙，适用于不同的厚度的集流体20。

优选地，粉料填充槽5包括粉料槽体51，粉料槽体51内部包括从上到下成对设置的第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53和毛刷清粉辊54，第一毛刷填充辊52和第二毛刷填充辊53将粉料填充到集流体20孔隙中，毛刷清粉辊54清除集流体20表面的浮粉。

优选地，第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53、毛刷清粉辊54的刷毛材质尼龙612或磨料尼龙、刷毛长度30mm-50mm、刷毛丝直径0.1mm≤ф≤0.5mm,刷第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53、毛刷清粉辊54的辊轴心材质SUS304或以上、直径≥50mm；更优选地，第一辗轧机的辊直径500mm≤ф≤800mm，材质3％Cr钢，表面硬度Hs 95-96，淬火层深度：≥10mm，圆跳动≤0.002mm，辊面粗糙度Ra0≤0.1，直线度±0.0015mm以下，真圆度±0.001mm以下，辊隙0-50mm可调，调节精度0.001mm，辊间压力最大400T,调节精度0.1T。

优选地，乳液填充槽8包括乳液槽体81，乳液槽体81内包括依次设置的导向辊82、第一填充辊83和第二填充辊84，第一填充辊83和第二填充辊84将粘结剂乳液充满到集流体20表面，乳液槽体81中的乳液液面高于导向辊82、第一填充辊83和第二填充辊84上边缘20mm-60mm，保证上液的稳定性。

优选地，导向辊82、第一填充辊83和第二填充辊84材质为SUS304,表面镀络30um以上，辊径均为200mm-1000mm，三辊辊径一致且在同一水平高度，转速100rpm-500rpm可调，转速调节精度不低于2rpm，浸润角D、E一致且20°≤浸润角≤60°，设置以上参数可保证。

优选地，烘箱9采用红外陶瓷加热片加热，加热效果好，集流体20为三维网状结构，强度高，空隙设置均匀。

优选地，烘箱9与收卷机14之间依次设有第二碾压机11、第二缓冲辊12和第二张力辊13，第二缓冲辊12和第二张力辊13对集流体20起到张力调节的作用，第二碾压机11的结构与第一碾压机7的结构相同，规格统一，降低成本。

在实际工作的过程中，按照以下几个阶段进行。

第一步：粉料混合

按质量百分比称取活性物质90％-98％，导电剂2％-10％加入到粉料混合机中。活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、石墨中的一种或多种。导电剂包括Super-Li、导电碳黑、导电石墨、科琴黑中的一种或多种。混合剂使用粉体专用螺旋混合机或V字型旋转混合机，混合时间3-5小时,混合完成后备用。

第二步：调制粘结剂乳液

按质量百份比粘结剂3％-30％，溶剂70％-97％加入到搅拌机中。粘结剂包括固含50％的乳聚丁苯橡胶乳液、固含60％的聚四氟乙烯乳液、溶聚丁苯橡胶粉、聚偏氟乙烯粉末。溶剂包括去离子水、环已烷、N-甲基吡咯烷酮。乳聚丁苯橡胶乳液、聚四氟乙烯乳液在搅拌机用去离子水稀释，搅拌线速度≤5m/s，搅拌时间≥2小时，搅拌温度≤40℃。溶聚丁苯橡胶粉末、聚偏氟乙烯粉末在搅拌机中用环已烷、N-甲基吡咯烷酮溶解，搅拌线速度15m/s-20m/s,搅拌时间≥6小时，搅拌温度≤40℃。搅拌完成后负压-90Kpa下缓慢搅拌2小时除泡,测量粘度、固体、密度合格后备用。

第三步：集流体准备

本申请使用三维网状结构集流体，集流体包括泡沫铝、泡沫铜,泡沫铝技术要求：铝>99.99％,面密度40g/m²-80g/m²，厚度0.2mm-1.0mm，PPI>50,抗拉强度≥15N/10mm,延伸率≥5％；泡沫铜技术要求：铜>99.99％,面密度80g/m²-150g/m²，厚度0.2mm-1.0mm，PPI>50,抗拉强度≥15N/10mm,延伸率≥5％，集流体包装内直径ф≥200mm。

第四步：粉料填充、一次碾压

4.1、集流体在放卷机1处放卷后经过第一张力辊2、缓冲辊3后在预压机4处预碾压到厚度要求值，预碾压速度、辊间隙等参数调节以预碾压后集流体厚度偏差≤0.1mm，骨架无断裂、无坍塌，预碾压时横纵向面积延伸率≤0.5％为最佳。

整线的放卷机1、收卷机14、第一张力辊2、缓冲辊3的辊径ф≥200mm,表面镀铬30um以上，外径精度不低于±0.5mm，预压机4的辊直径ф≥300mm，表面镀络30um以上，圆跳动≤0.002mm，预压机4的辊面粗糙度Ra0≤0.1，直线度±0.0015mm以下，真圆度±0.001mm以下，预压机4包括上下对应设置的上辊和下辊，下辊固定、调平，上辊两侧设置伺服电机，通过伺服电机可通过丝杠结构调节上辊的上下位置，也可以通过线轨结构上下调节上辊的位置，实现达到调节两辊间隙的目的，伺服电机调节精度不低于0.01mm。

4.2、螺旋喂料器将混合完成的粉料推入粉料填充槽5，螺旋喂料器采用市场上现有的即可，没有特定的要求，预碾压后的集流体通过粉料填充槽5，粉料槽体5中的第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53沉入粉料中，毛刷清粉辊54置于粉料以，第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53按图示方向转动，将粉料填充到集流体孔隙中。第一毛刷填充辊52深度填充，第二毛刷填充辊53表层填充，本申请设计二级填充，深层填充和表层填充，实际应用时，可根据集流体预碾压厚度、填充粉量等设计多级填充，毛刷清粉辊54清除集流体表面的浮粉。

粉料槽体51材质为SUSU304或以上。

第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53、毛刷清粉辊54的刷毛材质尼龙612或磨料尼龙、刷毛长度30mm-50mm、刷毛丝直径0.1mm≤ф≤0.5mm,刷第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53、毛刷清粉辊54的辊轴心材质SUS304或以上、直径≥50mm。

第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53、毛刷清粉辊54的转速100rpm-1000rpm可调、调节精度不低于2rpm，各辊的旋转方向如图示。

第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53、毛刷清粉辊54的A、B、C值通过伺服电机控制，伺服电机调节精度不低于0.2mm或以上，每个设置左右两个伺服电机，实现A、B、C左右两侧值分别调节，集流体预碾压后厚度T,1.5T≤A≤2.5T,0.5T≤B≤1.5T,0.9T≤C≤1.1T。

第一毛刷填充辊52、第二毛刷填充辊53和毛刷清粉辊54的辊径要求：R1<R2<R3,50mm≤R1≤100mm,75mm≤R1≤130mm,100mm≤R1≤150mm。

4.3、将填充粉料后的集流体通过第一碾压机7进行一次碾压，碾压速度、轧辊间隙、油压等以碾压后的集流体孔隙率50％-60％，集流体厚度偏差≤15um，横纵向面积延伸率<0.2％，集流体骨架无断裂、结构无坍塌，集流体横断面形成均匀孔隙为最佳，本申请使用一级碾压，当走带线速度高或高填充量设计时可设计使用二级或多级碾压，避免孔隙不均、集流体表面形成闭孔。

第一碾压机7直径500mm≤ф≤800mm，材质3％Cr钢，表面硬度Hs 95-96，淬火层深度：≥10mm，圆跳动≤0.002mm，辊面粗糙度Ra0≤0.1，直线度±0.0015mm以下，真圆度±0.001mm以下，辊隙0-50mm可调，调节精度0.001mm，辊间压力最大400T,调节精度0.1T。

第五步：粘结剂填加、二次碾压

1、将一次碾压完成后的集流体浸润到乳液填充槽8中，粘结剂乳液从集流体表面孔隙浸入，经过第一填充辊83、第二填充辊84深入充满到集流体孔隙中，在烘箱9中，粘结剂乳液中的溶剂缓慢蒸发，粘结剂形成薄膜覆盖在孔壁上，起到颗粒间、颗粒与集流体骨架间的粘结作用，本方案使用一级填充轮填充方式，填充效率低时，可采用二级或多级填充轮逐级填加；根据集流体孔隙体积、粘结剂加入量、乳液粘度、浸润性、填充效率等调节粘结剂的固含量，填充槽8中的乳液液面要求高于导向辊82、第一填充辊83、第二填充辊84上边缘20mm-60mm，第一填充辊83、第二填充辊84旋转方向如图示且转速一致。第一填充辊83、第二填充辊84的旋转线速度L1与集流体走速L0遵循1.5≤L1/L0≤3，烘箱温度60℃≤T≤90℃。

乳液槽体81材质SUS304或以上，导向辊82、第一填充辊83、第二填充辊84材质为SUS304,表面镀络30um以上，辊径R4 200mm-1000mm，三辊辊径一致且在同一水平高度，转速100rpm-500rpm可调，转速调节精度不低于2rpm，浸润角D、E一致且20°≤浸润角≤60°；

将烘干完成的集流体在第二碾压机11处进行二次碾压，碾压到要求的孔隙率、集流体骨架无断裂，第二碾压机11轧辊的技术要求同第一碾压机7。

第六步：收卷。

干法工艺是将活性物质、导电剂、添加剂粉体混合均匀后，涂覆到集流体上，经过碾压、冲切形成电极，去除了溶剂的使用、取消溶剂烘干工序，从工艺设计上规避的组份二次迁移。

铜箔、铝箔是锂离子电池常用的一维电子传递载体，为满足电子在电极厚度方向上的传递，电极结构设计时，在活性物质颗粒周围布满导电剂小颗粒，通过导电剂小颗粒建立三维导电网络，满足氧化还原反应时电子的流通，导电剂的形貌、分布在活性物质颗粒周围的多少、均匀性是影响电子传递的重要因素，三维导电网络的建立是降低电极极化、提升电极寿命、实现快速充放的必须途径。

本申请的制备装置和制备方法，同时该方法使用三维导电集流体，制备的电极可实现电池的长寿命、快速充放的性能。

以上对本实用新型的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：包括集流体，所述集流体依次通过放卷机、预压机、粉料填充槽、第一辗轧机、乳液填充槽、烘箱和收卷机；

所述预压机，将集流体碾压到厚度要求值；

所述粉料填充槽，将粉料填充到集流体孔隙中；

所述第一辗轧机，对集流体进行碾压，集流体横断面形成均匀孔隙；

所述乳液填充槽，将粘结剂乳液填充到集流体孔隙中；

烘箱，对经过的集流体进行烘干；

收卷机，将集流体收卷。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：所述放卷机与所述预压机之间依次设有第一张力辊和第一缓冲辊，所述第一张力辊设在所述放卷机的下方，所述第一缓冲辊设在所述第一张力辊和预压机的上方，调节集流体的张力。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：所述预压机包括上下对应设置的上辊和下辊，所述下辊固定设置，所述上辊相对下辊上下移动调整固定。

4.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：所述粉料填充槽包括粉料槽体，所述粉料槽体内部包括从上到下成对设置的第一毛刷填充辊、第二毛刷填充辊和毛刷清粉辊，所述第一毛刷填充辊和第二毛刷填充辊将粉料填充到集流体孔隙中，所述毛刷清粉辊清除集流体表面的浮粉。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：第一毛刷填充辊、第二毛刷填充辊、毛刷清粉辊的刷毛材质尼龙612或磨料尼龙、刷毛长度30mm-50mm、刷毛丝直径0.1mm≤ф≤0.5mm,刷第一毛刷填充辊、第二毛刷填充辊、毛刷清粉辊的辊轴心材质SUS304或以上、直径≥50mm。

6.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：所述第一辗轧机的辊直径500mm≤ф≤800mm，材质3％Cr钢，表面硬度Hs 95-96，淬火层深度：≥10mm，圆跳动≤0.002mm，辊面粗糙度Ra0≤0.1，直线度±0.0015mm以下，真圆度±0.001mm以下，辊隙0-50mm可调，调节精度0.001mm，辊间压力最大400T,调节精度0.1T。

7.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：所述乳液填充槽包括乳液槽体，所述乳液槽体内包括依次设置的导向辊、第一填充辊和第二填充辊，第一填充辊和第二填充辊将粘结剂乳液充满到集流体表面，乳液槽体中的乳液液面高于导向辊、第一填充辊和第二填充辊上边缘20mm-60mm。

8.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：导向辊、第一填充辊和第二填充辊材质为SUS304,表面镀络30um以上，辊径均为200mm-1000mm，三辊辊径一致且在同一水平高度，转速100rpm-500rpm可调，转速调节精度不低于2rpm，浸润角D、E一致且20°≤浸润角≤60°。

9.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：所述烘箱采用红外陶瓷加热片加热，所述集流体为三维网状结构。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池用干法电极的制备装置，其特征在于：所述烘箱与所述收卷机之间依次设有第二碾压机、第二缓冲辊和第二张力辊，所述第二碾压机的结构与第一碾压机的结构相同。

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