CN217588984U - 金属负极制备设备、金属负极及电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种金属负极制备设备、金属负极及电池。金属负极制备设备包括：输送装置，集流体绕设在输送装置上，以通过输送装置对集流体进行输送；第一处理装置，包括两个相对设置的处理结构，以通过两个处理结构将金属锂层覆盖在集流体的外表面上，以使集流体位于两个金属锂层之间；第二处理装置，位于第一处理装置的下游处，第二处理装置包括反应室和设置在反应室内的喷气结构，喷气结构包括相对设置的两个喷气部，以用于分别向两个金属锂层喷射气体，以使在各金属锂层远离集流体的表面上覆盖电解质层。本实用新型有效地解决了现有技术中人工涂布保护层而增加了工作人员劳动强度的问题。

Description

金属负极制备设备、金属负极及电池

技术领域

本实用新型涉及电池制备技术领域，具体而言，涉及一种金属负极制备设备、金属负极及电池。

背景技术

目前，由于锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、无记忆效应等优势，已成为储能与动力电池的首选。然而，金属锂负极的枝晶生长、循环粉化、与电解质持续副反应、与空气易形成钝化层等问题限制了其应用。

在现有技术中，为了解决上述问题，通常采用非原位的方法对金属锂负极进行保护，即工作人员直接在金属锂负极的表面涂布一层保护层。然而，上述涂布方式增加了工作人员的劳动强度。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种金属负极制备设备、金属负极及电池，以解决现有技术中人工涂布保护层而增加了工作人员劳动强度的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种金属负极制备设备，包括：输送装置，集流体绕设在输送装置上，以通过输送装置对集流体进行输送；第一处理装置，包括两个相对设置的处理结构，以通过两个处理结构将金属锂层覆盖在集流体的外表面上，以使集流体位于两个金属锂层之间；第二处理装置，位于第一处理装置的下游处，第二处理装置包括反应室和设置在反应室内的喷气结构，喷气结构包括相对设置的两个喷气部，以用于分别向两个金属锂层喷射气体，以使在各金属锂层远离集流体的表面上覆盖电解质层。

进一步地，反应室具有反应腔及与反应腔均连通的抽真空孔、第一过孔及第二过孔，集流体穿设在第一过孔和第二过孔内；第二处理装置还包括：抽真空设备，与抽真空孔连通，以通过抽真空孔对反应腔进行抽真空；检测装置，设置在反应腔内，以用于检测反应腔内的真空度，在检测装置的检测值小于预设真空度时，控制喷气部启动，以向两个金属锂层喷射气体。

进一步地，输送装置包括：放卷辊；收卷辊，集流体绕设在放卷辊和收卷辊上；第二处理装置还包括：密封结构，设置在第一过孔和/或第二过孔的孔壁上。

进一步地，第一处理装置还包括：驱动装置，驱动装置与处理结构驱动连接，以驱动处理结构朝向集流体运动，以将金属锂带压设集流体上。

进一步地，处理结构具有发热部，发热部熔融金属锂，以使金属锂熔融后流动至集流体上；或者，处理结构为电镀喷头。

进一步地，处理结构具有排气口，从排气口排出的锂蒸汽吹向集流体。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种金属负极，由上述的金属负极制备设备制备而成，金属负极的电解质层由氮化锂、或氟化锂、或碳酸锂、或氧化锂制成。

进一步地，金属负极的集流体具有多个通孔，多个通孔在沿集流体的长度方向和/或宽度方向间隔设置；其中，全部通孔的总面积s与集流体的表面积S之间满足：s≤0.7S。

进一步地，金属负极的金属锂层的厚度d1满足：1μm≤d1≤20μm；和/或，电解质层的厚度d2满足：10nm≤d2≤1μm。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种电池，包括上述的金属负极。

应用本实用新型的技术方案，金属负极制备设备包括输送装置、第一处理装置和第二处理装置，输送装置用于对集流体进行输送，第一处理装置将金属锂层覆盖在集流体的两个外表面上，第二处理装置的喷气结构分别向两个金属锂层喷射气体，以使在各金属锂层远离集流体的表面上覆盖电解质层。这样，与现有技术中采用人工直接在金属锂负极的表面涂布保护层相比，本申请中使用第一处理装置和第二处理装置共同作用替代人工，自动在集流体上依次涂布金属锂层和电解质层，进而解决了现有技术中人工涂布保护层而增加了工作人员劳动强度的问题，降低了工作人员的劳动强度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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示出了根据本实用新型的金属负极制备设备的实施例一的第一处理装置与输送装置装配后的结构示意图；

图2示出了图1中的金属负极制备设备的第二处理装置与输送装置装配后的结构示意图；

图3示出了根据本实用新型的金属负极的实施例一的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、输送装置；11、放卷辊；12、收卷辊；20、集流体；30、第一处理装置；40、金属锂层；50、第二处理装置；51、反应室；60、电解质层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。

为了解决现有技术中人工涂布保护层而增加了工作人员劳动强度的问题，本申请提供了一种金属负极制备设备、金属负极及电池。

实施例一

如图1至图3所示，金属负极制备设备包括输送装置10、第一处理装置30及第二处理装置50。其中，集流体20绕设在输送装置10上，以通过输送装置10对集流体20进行输送。第一处理装置30包括两个相对设置的处理结构，以通过两个处理结构将金属锂层40覆盖在集流体20的外表面上，以使集流体20位于两个金属锂层40之间。第二处理装置50位于第一处理装置30的下游处，第二处理装置50包括反应室51和设置在反应室51内的喷气结构，喷气结构包括相对设置的两个喷气部，以用于分别向两个金属锂层40喷射气体，以使在各金属锂层40远离集流体20的表面上覆盖电解质层60。

应用本实施例的技术方案，金属负极制备设备包括输送装置10、第一处理装置30和第二处理装置50，输送装置10用于对集流体20进行输送，第一处理装置30将金属锂层40覆盖在集流体20的两个外表面上，第二处理装置50的喷气结构分别向两个金属锂层40喷射气体，以使在各金属锂层40远离集流体20的表面上覆盖电解质层60。这样，与现有技术中采用人工直接在金属锂负极的表面涂布保护层相比，本实施例中使用第一处理装置30和第二处理装置50共同作用替代人工，自动在集流体20上依次涂布金属锂层40和电解质层60，进而解决了现有技术中人工涂布保护层而增加了工作人员劳动强度的问题，降低了工作人员的劳动强度。

在本实施例中，通过在金属负极的表面原位构建一层固态电解质层60，避免金属负极表面与空气副反应层的形成，调节金属锂的沉积并避免金属锂枝晶形成，隔绝电解质阻断与电解质的副反应，进而较大程度地改善了金属锂负极所存在的问题。

在本实施例中，反应室51具有反应腔及与反应腔均连通的抽真空孔、第一过孔及第二过孔，集流体20穿设在第一过孔和第二过孔内。第二处理装置50还包括抽真空设备和检测装置。其中，抽真空设备与抽真空孔连通，以通过抽真空孔对反应腔进行抽真空。检测装置设置在反应腔内，以用于检测反应腔内的真空度，在检测装置的检测值小于预设真空度时，控制喷气部启动，以向两个金属锂层40喷射气体。这样，在对金属锂层40上覆盖电解质层60的过程中，先采用抽真空设备对反应室51内进行抽真空，待反应室51内的真空度小于预设真空度时，控制喷气部启动，以向两个金属锂层40喷射气体，进而对各金属锂层40远离集流体20的表面上覆盖电解质层60。同时，上述设置确保输送装置10能够对集流体20持续运输，提升了金属负极制备设备的制备效率。

在本实施例中，喷气部的喷射范围为反应区域，反应区域的温度在80～150℃。其中，从喷气部喷出的气体包括氮气、氟气、氟化氢、二氧化碳、氧气等气体，优选氮气、氟气、氟化氢气体，氮气含量范围为20～100％、氟气或氟化氢气体含量范围为0～20％，其他气体含量范围为0～10％。

如图1所示，输送装置10包括放卷辊11和收卷辊12。集流体20绕设在放卷辊11和收卷辊12上。这样，通过放卷辊11对集流体20进行放料，以实现集流体20的送料；通过收卷辊12对完成制备后的金属负极进行收卷、收纳，以实现金属负极的边加工、边收卷，进而提升了金属负极制备设备的制备效率。同时，上述设置使得输送装置10的结构更加简单，容易加工、实现，进而降低了输送装置10的加工成本。

可选地，第二处理装置50还包括密封结构。其中，密封结构设置在第一过孔和/或第二过孔的孔壁上。这样，上述设置提升了第一过孔和/或第二过孔处的密封可靠性，以确保抽真空设备能够对反应腔进行充分地抽真空。

可选地，密封结构呈环形。

在本实施例中，第一处理装置30还包括驱动装置。其中，驱动装置与处理结构驱动连接，以驱动处理结构朝向集流体20运动，以将金属锂带压设集流体20上。这样，上述设置使得金属锂层40的加工方式为金属锂带压延贴合方法，以使金属锂层40的加工更加容易、简便，降低了金属锂层40的加工成本，进而降低了金属负极的加工成本。

需要说明的是，处理结构的结构不同，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，处理结构具有发热部，发热部熔融金属锂，以使金属锂熔融后流动至集流体20上；或者，处理结构为电镀喷头。

在本实施例中，金属负极制备设备还包括第三处理装置。第三处理装置包括压合装置、裁剪装置及叠片装置，压合装置用于将金属负极、隔膜及金属正极压合在一起，裁剪装置用于将压合在一起的金属负极、隔膜及金属正极模切为设计的尺寸，形成电芯。叠片装置用于对多个电芯进行叠片，最终形成电池模组。

如图3所示，本申请还提供了一种金属负极，由上述的金属负极制备设备制备而成，金属负极的电解质层60由氮化锂、或氟化锂、或碳酸锂、或氧化锂制成。

可选地，金属负极的集流体20具有多个通孔，多个通孔在沿集流体20的长度方向和/或宽度方向间隔设置。这样，上述设置使得集流体20为打孔铜箔，进而降低了铜箔集流体的重量，实现了电池的轻量化设计。

可选地，集流体20的厚度在4～8μm。

可选地，全部通孔的总面积s与集流体20的表面积S之间满足：s≤0.7S。这样，上述设置使得集流体20的孔隙率在0～70％。

可选地，金属负极的金属锂层40的厚度d1满足：1μm≤d1≤20μm；和/或，电解质层60的厚度d2满足：10nm≤d2≤1μm。

可选地，金属锂层40选自纯金属锂、锂铝合金、锂锡合金、锂铟合金、锂硼合金、锂银合金等材料。其中，合金元素的含量在0～10％的范围内。

本申请还提供了一种电池，包括上述的金属负极。

可选地，电池为液态锂电池、或半固态锂电池、或全固态锂电池；

在本实施例中，电池的加工方式如下：

1、利用第一处理装置30(压延贴合一体化设备)在铜箔集流体表面贴合厚度为10μm的金属锂箔；

2、将金属锂箔在100％氮气气氛下100℃反应30min；

3、将反应后的金属锂模切为50*100mm形成金属负极，将金属负极与NCM811:SP:PVDF＝8:1:1正极、16μmPP隔膜组装成待注液电芯，对电芯注入1M浓度的LiFSI锂盐DOL：DME：TTE＝2：2：6电解液完成电芯制备。之后，对电芯进行0.1C首周活化后，进行0.5C充放电循环。

需要说明的是，金属负极的加工方式不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。

在附图中未示出的其他实施方式中，电池的加工方式如下：

1、利用第一处理装置30(压延贴合一体化设备)在铜箔集流体表面贴合厚度为10μm的金属锂箔；

2、将金属锂箔在80％氮气+20％氟气气氛下100℃反应30min；

3、将反应后的金属锂模切为50*100mm形成金属负极，将金属负极与NCM811:SP:PVDF＝8:1:1正极、16μmPP隔膜组装成待注液电芯，对电芯注入1M浓度的LiFSI锂盐DOL：DME：TTE＝2：2：6电解液完成电芯制备。之后，对电芯进行0.1C首周活化后，进行0.5C充放电循环。

实施例二

实施例二中的金属负极制备设备与实施例一的区别在于：处理结构的结构不同。

在本实施例中，处理结构具有发热部，发热部熔融金属锂，以使金属锂熔融后流动至集流体20上。这样，上述设置使得金属锂层40的加工方式为熔融金属锂涂布方法，以使金属锂层40的加工更加容易、简便，降低了金属锂层40的加工成本，进而降低了金属负极的加工成本。

在本实施例中，电池的加工方式如下：

1、利用第一处理装置30(热蒸发设备)在铜箔集流体表面贴合厚度为10μm的金属锂箔；

2、将金属锂箔在100％氮气气氛下100℃反应30min；

3、将反应后的金属锂模切为50*100mm形成金属负极，将金属负极与NCM811:SP:Li6PS5Cl:PTFE＝8:0.8:1:0.2正极、Li6PS5Cl电解质膜制备成全固态软包电池。之后，对电芯进行0.1C首周活化后，进行0.5C充放电循环。

实施例三

实施例三中的金属负极制备设备与实施例一的区别在于：处理结构的结构不同。

在本实施例中，处理结构为电镀喷头。这样，上述设置使得金属锂层40的加工方式为电化学电镀方法，以使金属锂层40的加工更加容易、简便，降低了金属锂层40的加工成本，进而降低了金属负极的加工成本。

在本实施例中，电池的加工方式如下：

1、利用第一处理装置30(电化学镀锂设备)在铜箔集流体表面贴合厚度为10μm的金属锂箔；

2、将金属锂箔在100％氮气气氛下100℃反应30min；

3、将反应后的金属锂模切为50*100mm形成金属负极，将金属负极与NCM811:SP:Li6PS5Cl:PTFE＝8:0.8:1:0.2正极、Li6PS5Cl电解质膜制备成全固态软包电池。之后，对电芯进行0.1C首周活化后，进行0.5C充放电循环。

实施例四

实施例四中的金属负极制备设备与实施例一的区别在于：处理结构的结构不同。

在本实施例中，处理结构具有排气口，从排气口排出的锂蒸汽吹向集流体20。这样，上述设置使得金属锂层40的加工方式为金属锂热蒸发方法，以使金属锂层40的加工更加容易、简便，降低了金属锂层40的加工成本，进而降低了金属负极的加工成本。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

金属负极制备设备包括输送装置、第一处理装置和第二处理装置，输送装置用于对集流体进行输送，第一处理装置将金属锂层覆盖在集流体的两个外表面上，第二处理装置的喷气结构分别向两个金属锂层喷射气体，以使在各金属锂层远离集流体的表面上覆盖电解质层。这样，与现有技术中采用人工直接在金属锂负极的表面涂布保护层相比，本申请中使用第一处理装置和第二处理装置共同作用替代人工，自动在集流体上依次涂布金属锂层和电解质层，进而解决了现有技术中人工涂布保护层而增加了工作人员劳动强度的问题，降低了工作人员的劳动强度。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属负极制备设备，其特征在于，包括：

输送装置(10)，集流体(20)绕设在所述输送装置(10)上，以通过所述输送装置(10)对所述集流体(20)进行输送；

第一处理装置(30)，包括两个相对设置的处理结构，以通过两个所述处理结构将金属锂层(40)覆盖在所述集流体(20)的外表面上，以使集流体(20)位于两个所述金属锂层(40)之间；

第二处理装置(50)，位于所述第一处理装置(30)的下游处，所述第二处理装置(50)包括反应室(51)和设置在所述反应室(51)内的喷气结构，所述喷气结构包括相对设置的两个喷气部，以用于分别向两个所述金属锂层(40)喷射气体，以使在各所述金属锂层(40)远离所述集流体(20)的表面上覆盖电解质层(60)。

2.根据权利要求1所述的金属负极制备设备，其特征在于，所述反应室(51)具有反应腔及与所述反应腔均连通的抽真空孔、第一过孔及第二过孔，所述集流体(20)穿设在所述第一过孔和所述第二过孔内；所述第二处理装置(50)还包括：

抽真空设备，与所述抽真空孔连通，以通过所述抽真空孔对所述反应腔进行抽真空；

检测装置，设置在所述反应腔内，以用于检测所述反应腔内的真空度，在所述检测装置的检测值小于预设真空度时，控制所述喷气部启动，以向两个所述金属锂层(40)喷射气体。

3.根据权利要求2所述的金属负极制备设备，其特征在于，所述输送装置(10)包括：

放卷辊(11)；

收卷辊(12)，所述集流体(20)绕设在所述放卷辊(11)和所述收卷辊(12)上；

所述第二处理装置(50)还包括：

密封结构，设置在所述第一过孔和/或所述第二过孔的孔壁上。

4.根据权利要求1所述的金属负极制备设备，其特征在于，所述第一处理装置(30)还包括：

驱动装置，所述驱动装置与所述处理结构驱动连接，以驱动所述处理结构朝向所述集流体(20)运动，以将金属锂带压设所述集流体(20)上。

5.根据权利要求1所述的金属负极制备设备，其特征在于，所述处理结构具有发热部，所述发热部熔融金属锂，以使所述金属锂熔融后流动至所述集流体(20)上；或者，所述处理结构为电镀喷头。

6.根据权利要求1所述的金属负极制备设备，其特征在于，所述处理结构具有排气口，从所述排气口排出的锂蒸汽吹向所述集流体(20)。

7.一种金属负极，由权利要求1至6中任一项所述的金属负极制备设备制备而成，其特征在于，所述金属负极的电解质层(60)由氮化锂、或氟化锂、或碳酸锂、或氧化锂制成。

8.根据权利要求7所述的金属负极，其特征在于，所述金属负极的集流体(20)具有多个通孔，多个所述通孔在沿所述集流体(20)的长度方向和/或宽度方向间隔设置；其中，全部所述通孔的总面积s与所述集流体(20)的表面积S之间满足：s≤0.7S。

9.根据权利要求7所述的金属负极，其特征在于，所述金属负极的金属锂层(40)的厚度d1满足：1μm≤d1≤20μm；和/或，所述电解质层(60)的厚度d2满足：10nm≤d2≤1μm。

10.一种电池，包括权利要求7至9中任一项所述的金属负极。

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