CN217955892U - 锂离子电池三维多孔集流体制备设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种锂离子电池三维多孔集流体制备设备，包括真空腔体、抽真空装置、放卷辊、收卷辊、放卷驱动装置、收卷驱动装置、镀膜主辊、蒸发坩锅和控制系统，放卷辊、收卷辊和镀膜主辊分别能转动的安装于真空腔体内，放卷驱动装置和收卷驱动装置分别驱动放卷辊和收卷辊同步旋转，放卷辊上引出的纤维织品绕过镀膜主辊表面后缠绕于收卷辊表面，蒸发坩埚固定于真空腔体内，蒸发坩埚开口与镀膜主辊表面上的纤维织品正对，蒸发坩埚设有加热装置，所述加热装置能够对蒸发坩埚内的镀膜材料加热，抽真空装置能给真空腔体抽真空，控制系统控制各机构运行，本实用新型获得的集流体既保持了纤维织品的柔韧性、抗拉伸性和网孔特征，又具有导电性。

Description

锂离子电池三维多孔集流体制备设备

技术领域

本实用新型涉及一种集流体制备设备，特别涉及一种锂离子电池三维多孔集流体制备设备。

背景技术

锂电子电池主要正极材料、负极材料、隔离膜和电解液。其正负极材料采用集流体来存放，对于锂离子电池来说，通常使用的正极集流体是铝箔，负极集流体是铜箔，铝箔和铜箔的表面光滑平整，其有效反映面积有限，电池在充电发热过程中会热胀，充电结束后悔冷缩，由于铜箔和铝箔本身不具有弹性，其拉伸性能较差，很容易在热胀冷缩过程中损坏，锂离子电池充电过程中还容易在铜箔和铝箔表面生产枝晶，导致电池内短路。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，本实用新型提供了一种锂离子电池三维多孔集流体制备设备，采用锂离子电池三维多孔集流体制备设备生产的锂离子电池三维多孔集流体有效反应面积大，有助于减少锂离子电池充电过程中枝晶的生成，能够适应电池充电发热的热胀冷缩变化。

本实用新型为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种锂离子电池三维多孔集流体制备设备，包括真空腔体、抽真空装置、放卷辊、收卷辊、放卷驱动装置、收卷驱动装置、镀膜主辊、蒸发坩锅和控制系统，所述放卷辊、收卷辊和镀膜主辊分别能够转动的安装于真空腔体内，放卷驱动装置和收卷驱动装置分别驱动放卷辊和收卷辊同步旋转，放卷辊上引出的纤维织品绕过镀膜主辊一侧表面后缠绕于收卷辊表面进行收卷，蒸发坩埚固定安装于真空腔体内，蒸发坩埚开口与镀膜主辊一侧表面上的纤维织品正对，蒸发坩埚设有加热装置，所述加热装置能够对蒸发坩埚内的镀膜材料加热，抽真空装置能够给真空腔体抽真空，控制系统控制抽真空装置、放卷驱动装置、收卷驱动装置和加热装置运行。

作为本实用新型的进一步改进，还设有工作气体提供装置和阳极层离子源，所述阳极层离子源位于真空腔体内，工作气体提供装置能够给阳极层离子源提供惰性气体，所述阳极层离子源能够朝向镀膜主辊表面即将与蒸发坩埚正对的纤维织品表面发射阳极层离子，控制系统控制工作气体提供装置和阳极层离子源启停动作。

作为本实用新型的进一步改进，所述真空腔体内还固定设有水冷隔板，所述放卷辊、收卷辊和阳极层离子源位于水冷隔板一侧，蒸发坩锅位于水冷隔板另一侧，水冷隔板上形成有开口结构，镀膜主辊与蒸发坩埚正对的一侧恰经所述开口结构伸入到水冷隔板另一侧。

作为本实用新型的进一步改进，所述镀膜主辊包括第一面镀膜主辊和第二面镀膜主辊，蒸发坩锅包括第一面蒸发坩锅和第二面蒸发坩锅，阳极层离子源包括第一面阳极层离子源和第二面阳极层离子源，至少一个第一面镀膜主辊和至少一个第二面镀膜主辊平行间隔排列设于真空腔体内，至少一个第一面蒸发坩锅分别与各个第一面镀膜主辊正对设置，至少一个第二面蒸发坩锅分别与各个第二面镀膜主辊正对设置，第一面阳极层离子源和第二面阳极层离子源分别与纤维织品即将进行真空沉积的两侧表面正对。

作为本实用新型的进一步改进，所述蒸发坩埚包括石墨坩埚、绝缘陶瓷层、钣金包裹外层、气相硅绝热层、遮挡板和遮挡驱动装置，所述石墨坩埚为上端形成开口的槽状结构，绝缘陶瓷层固定包覆于石墨坩埚外侧，加热装置为电阻钢片加热层，所述电阻钢片加热层固定包覆于绝缘陶瓷层外侧，气相硅绝热层固定包覆于电阻钢片加热层外侧，钣金包裹外层固定包覆于气相硅绝热层外侧，所述遮挡板能够打开和闭合石墨坩埚上端的开口，所述遮挡驱动装置驱动遮挡板运动实现所述开口的开闭，控制系统控制遮挡驱动装置启停动作。

作为本实用新型的进一步改进，还设有若干辅助辊，各个辅助辊能够转动的安装于真空腔体内，从放卷辊上引出的纤维织品经过至少一个辅助辊导向后缠绕于镀膜主辊一侧表面，从镀膜主辊上引出的纤维织品经过至少一个辅助辊导向后缠绕于收卷辊外侧，所述放卷辊和镀膜主辊之间的一个辅助辊上设有放料张力传感器，收料辊和镀膜主辊之间的一个辅助辊上设有收料张力传感器，所述放料张力传感器和收料张力传感器分别能感应从放料辊上引出的纤维织品张力和即将卷绕于收料辊上的纤维织品张力，放料张力传感器和收料张力传感器分别与控制系统电性连接通信。

作为本实用新型的进一步改进，所述镀膜主辊内部形成有冷却夹层，冷却夹层内通有冷媒。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用5～10um厚度的纤维织品作为载体，通过专用的设备在纤维织品表面真空沉积1～2um厚度的铜材或铝材，使纤维织品形成一种三维多孔结构的集流体，该种集流体既保持了纤维织品的柔韧性、抗拉伸性和纤维织品独特的网孔特征，又具有了铜材和铝材的导电性(测试电阻≦20mΩ)，本实用新型采用4个镀膜主辊连续镀膜方式，可以一次性在纤维织品正反两面沉积铜材或铝材，并可以穿透织品的缝隙将铜沉积到每根纤维丝的表面，采用本实用新型制备工艺制备的三维多孔集流体增加了电极的有效反应面积，减少了锂离子电池充电过程中枝晶的生成，提高了电池内活性物质反映效率，能够更好的适应电池充电发热的热胀冷缩变化，有效提升锂离子二次电池的性能。

附图说明

图1为本实用新型的锂离子电池三维多孔集流体制备设备结构原理示意图；

图2为本实用新型的蒸发坩埚结构原理示意图；

图3为本实用新型制备的锂离子电池三维多孔集流体结构原理示意图。

具体实施方式

实施例：一种锂离子电池三维多孔集流体制备设备，包括真空腔体12、抽真空装置、放卷辊1、收卷辊2、放卷驱动装置、收卷驱动装置、镀膜主辊、蒸发坩锅和控制系统，所述放卷辊1、收卷辊2和镀膜主辊分别能够转动的安装于真空腔体 12内，放卷驱动装置和收卷驱动装置分别驱动放卷辊1和收卷辊2同步旋转，放卷辊1上引出的纤维织品绕过镀膜主辊一侧表面后缠绕于收卷辊2表面进行收卷，蒸发坩埚固定安装于真空腔体12内，蒸发坩埚开口与镀膜主辊一侧表面上的纤维织品正对，蒸发坩埚设有加热装置，所述加热装置能够对蒸发坩埚内的镀膜材料加热，抽真空装置能够给真空腔体12抽真空，控制系统控制抽真空装置、放卷驱动装置、收卷驱动装置和加热装置运行。

纤维织品随着放卷辊1转动实现放卷，其从放卷辊1上引出后经过镀膜主辊，绕过镀膜主辊的同时与蒸发坩埚开口正对，蒸发坩埚内蒸发出来的金属材料在纤维织品表面沉积形成金属镀膜层，经过镀膜的纤维织品最终由收卷辊2收卷，该设备实现了纤维织品表面全自动真空镀金属膜，使得纤维织品最终形成三维多孔结构的集流体。

还设有工作气体提供装置和阳极层离子源，所述阳极层离子源位于真空腔体12内，工作气体提供装置能够给阳极层离子源提供惰性气体，所述阳极层离子源能够朝向镀膜主辊表面即将与蒸发坩埚正对的纤维织品表面发射阳极层离子，控制系统控制工作气体提供装置和阳极层离子源启停动作。纤维织品在进行真空镀膜前由阳极层离子源对其进行清洗，保证纤维织品表面清洁，进而确保镀膜层在纤维织品表面牢固结合，防止出现分层脱落。

所述真空腔体12内还固定设有水冷隔板11，所述放卷辊1、收卷辊2和阳极层离子源位于水冷隔板11一侧，蒸发坩锅位于水冷隔板11另一侧，水冷隔板11上形成有开口结构，镀膜主辊与蒸发坩埚正对的一侧恰经所述开口结构伸入到水冷隔板11另一侧。

通过水冷隔板11将真空腔体12分隔成两部分，将放卷辊 1、收卷辊2和阳极层离子源放置于冷水隔板一侧，将蒸发坩埚设置于冷水隔板另一侧，其能够防止蒸发坩埚内蒸发出来的金属材料沉积在纤维织品其他部位造成纤维织品表面金属镀层厚度不均，同时可以起到隔热降温的效果，防止蒸发坩埚散发的热量传导到纤维织品和阳极层离子源上。

所述镀膜主辊包括第一面镀膜主辊6和第二面镀膜主辊 7，蒸发坩锅包括第一面蒸发坩锅14和第二面蒸发坩锅15，阳极层离子源包括第一面阳极层离子源9和第二面阳极层离子源10，至少一个第一面镀膜主辊6和至少一个第二面镀膜主辊7平行间隔排列设于真空腔体12内，至少一个第一面蒸发坩锅分别与各个第一面镀膜主辊6正对设置，至少一个第二面蒸发坩锅分别与各个第二面镀膜主辊7正对设置，第一面阳极层离子源9和第二面阳极层离子源10分别与纤维织品即将进行真空沉积的两侧表面正对。经过第一面镀膜主辊6的纤维织品进行第一面真空镀膜，然后纤维织品反向缠绕在第二面镀膜主辊7上，对纤维织品另一面进行真空镀膜，第一面镀膜主辊6、第二面镀膜主辊7、第一面蒸发坩埚和第二面蒸发坩埚最佳均为两个，纤维织品第一面经过两次真空镀膜后，其第二面再经过两次真空镀膜，这样使得纤维织品两面连续镀膜，可以一次性在纤维织品正反两面沉积金属膜材，并可以穿透纤维织品的缝隙将金属材料沉积到每根纤维丝的表面，通过每一面两次镀膜可以让纤维织物达到与铜箔或铝箔相同的导电率。

所述蒸发坩埚包括石墨坩埚16、绝缘陶瓷层17、钣金包裹外层18、气相硅绝热层19、遮挡板8和遮挡驱动装置，所述石墨坩埚16为上端形成开口的槽状结构，绝缘陶瓷层17固定包覆于石墨坩埚16外侧，加热装置为电阻钢片加热层20，所述电阻钢片加热层20固定包覆于绝缘陶瓷层17外侧，气相硅绝热层19固定包覆于电阻钢片加热层20外侧，钣金包裹外层18固定包覆于气相硅绝热层19外侧，所述遮挡板8能够打开和闭合石墨坩埚16上端的开口，所述遮挡驱动装置驱动遮挡板8运动实现所述开口的开闭，控制系统控制遮挡驱动装置启停动作。金属材料蒸发源采用石墨坩埚16与电阻加热的结构，在石墨坩埚16里一次添加所需的金属材料，可以实现大速率的沉积金属材料，蒸发坩埚上方设置遮挡板8，当蒸发坩埚预热时通过遮挡板8遮挡坩埚开口，防止金属材料蒸发出来，当开始镀膜时，将遮挡板8移开，打开蒸发坩埚开口进行金属镀膜，遮挡板8可以绕水平轴转动的安装在蒸发坩埚开口侧壁处，通过旋转遮挡板8，实现蒸发坩埚开口的开闭，此外，遮挡板8也可以水平横移的方式运动，实现对蒸发坩埚开口的开闭，此类都是本领域技术人员根据本专利很容易想到的等同替换结构，都属于本专利保护范围。

还设有若干辅助辊3，各个辅助辊3能够转动的安装于真空腔体12内，从放卷辊1上引出的纤维织品经过至少一个辅助辊3导向后缠绕于镀膜主辊一侧表面，从镀膜主辊上引出的纤维织品经过至少一个辅助辊3导向后缠绕于收卷辊2外侧，所述放卷辊1和镀膜主辊之间的一个辅助辊3上设有放料张力传感器4，收料辊和镀膜主辊之间的一个辅助辊3上设有收料张力传感器5，所述放料张力传感器4和收料张力传感器5分别能感应从放料辊上引出的纤维织品张力和即将卷绕于收料辊上的纤维织品张力，放料张力传感器4和收料张力传感器5 分别与控制系统电性连接通信。从放卷辊1上引出的纤维织品由辅助导向辊进行导向，通过多个辅助导向辊的导向使得纤维织品大面积的缠绕于镀膜主辊上，并保持纤维织品与镀膜主辊表面贴合紧密，经过镀膜后的纤维织品最终由辅助导向辊导向后紧密缠绕于收卷辊2上进行收卷，保证收卷后的纤维织品缠绕整齐、紧密，同时，在不同位置的辅助辊3上设置放料张力传感器4和收料张力传感器5，进而来感知放料段的纤维织品张力和收料段的纤维织品张力，最终由控制系统根据放料张力传感器4和收料张力传感器5的检测数据调整放卷驱动装置和收卷驱动装置速度，保证纤维织品在设定的张力状态下进行镀膜和收卷，确保镀膜品质。

所述镀膜主辊内部形成有冷却夹层，冷却夹层内通有冷媒。镀膜主辊采用双层结构，夹层利用冷媒可以将镀膜主辊表面冷却到-20℃，给纤维织物冷却，防止蒸发源高温破坏织物。

一种锂离子电池三维多孔集流体制备工艺，包括如下步骤：

步骤一：将由纤维编织而成的纤维织品料卷安装到放卷辊 1上，并将纤维织品一端从放卷辊1上引出并绕过第一面镀膜主辊6和第二面镀膜主辊7后缠绕于收卷辊2上，将第一面蒸发坩埚14和第二面蒸发坩埚15内添加所需的镀膜材料；

步骤二：关真空腔体12的门，抽真空装置开始给真空腔体12抽气，同时给第一面镀膜主辊6和第二面镀膜主辊7冷却，当真空腔体12内真空度抽到5*10^-4Pa时，第一面镀膜主辊6和第二面镀膜主辊7冷却到-20℃时，开启坩埚加热电源对第一面蒸发坩埚14和第二面蒸发坩埚15进行加热；

步骤三：当第一面蒸发坩埚14和第二面蒸发坩埚15加热温度达到1000℃时，启动收卷辊2、放卷辊1、第一面镀膜主辊6和第二面镀膜主辊7，线速度设定5m/min、前段张力设定 150N、后段张力设定250N；同时分别给第一面阳极层离子源9 输入60sccm的惰性气体、给第二面阳极层离子源10输入 60sccm的惰性气体，并开启离子源电源，电压设定1500V；

步骤四：当第一面蒸发坩埚14和第二面蒸发坩埚15预热后温度达到1300℃时，打开第一面蒸发坩埚14和第二面蒸发坩埚15开口上的遮挡板8，第一面蒸发坩埚14内的镀膜材料蒸发后沉积在与第一面蒸发坩埚14开口正对的纤维织品一侧表面，第二面蒸发坩埚15内的镀膜材料蒸发后沉积在与第二面蒸发坩埚15开口正对的纤维织品另一侧表面；

步骤五：经过双面沉积镀膜的纤维织品最终卷绕在收料辊 2上形成三维多孔结构的集流体料带。

采用纤维织品作为载体，采用锂离子电池三维多孔集流体制备设备在纤维织品两侧表面分别真空沉积一层金属膜材，使纤维织品成为一种新型三维多孔结构的集流体，镀金属膜后的纤维织品既保持了纤维织品的柔韧性、抗拉伸性和纤维织品独特的网孔特征，又具有了金属膜材的导电性(测试电阻≦20m Ω)。

采用该制备工艺制备的三维多孔集流体负极对比现有使用的集流体具有以下特点：

1.孔洞率＞45％，表面积增大，可以有效增加电极的有效反应面积；

2.集流体多孔结构有助于减少锂离子电池充电过程中枝晶的生成，防止电池内短路；

3.纤维织品的纤维结构与电极活性物质结合更好；

4.柔韧性好、拉伸性好，适应电池充电发热的热胀冷缩变化；

5.可以作为锂离子电池正负极的集流体，有效提升锂离子二次电池的性能。

所述纤维织品由PE、PET或PI编织而成，纤维织品厚度为5～10um，除了上述材料外，还可以采用其他材料进行纤维织品的编织。

所述步骤一中在第一面蒸发坩埚和第二面蒸发坩埚内一次添加所需的铜料或铝料，步骤四中在纤维织品表面真空沉积 1～2um厚度的铜材或铝材。

测试：采用PET纤维进行编织制成的厚度为8um的纤维织品，在其两面进行镀铜获得的锂离子电池三维多孔集流体卷材，从卷材上截取一段作为检测样品，将电表的正负极分别与检测样品进行连接，给检测样品通电后，电表检测电阻为 19.21mΩ。

Claims (7)

1.一种锂离子电池三维多孔集流体制备设备，其特征在于：包括真空腔体(12)、抽真空装置、放卷辊(1)、收卷辊(2)、放卷驱动装置、收卷驱动装置、镀膜主辊、蒸发坩锅和控制系统，所述放卷辊、收卷辊和镀膜主辊分别能够转动的安装于真空腔体内，放卷驱动装置和收卷驱动装置分别驱动放卷辊和收卷辊同步旋转，放卷辊(1)上引出的纤维织品绕过镀膜主辊一侧表面后缠绕于收卷辊(2)表面进行收卷，蒸发坩埚固定安装于真空腔体内，蒸发坩埚开口与镀膜主辊一侧表面上的纤维织品正对，蒸发坩埚设有加热装置，所述加热装置能够对蒸发坩埚内的镀膜材料加热，抽真空装置能够给真空腔体抽真空，控制系统控制抽真空装置、放卷驱动装置、收卷驱动装置和加热装置运行。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池三维多孔集流体制备设备，其特征在于：还设有工作气体提供装置和阳极层离子源，所述阳极层离子源位于真空腔体内，工作气体提供装置能够给阳极层离子源提供惰性气体，所述阳极层离子源能够朝向镀膜主辊表面即将与蒸发坩埚正对的纤维织品表面发射阳极层离子，控制系统控制工作气体提供装置和阳极层离子源启停动作。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池三维多孔集流体制备设备，其特征在于：所述真空腔体内还固定设有水冷隔板(11)，所述放卷辊(1)、收卷辊(2)和阳极层离子源位于水冷隔板一侧，蒸发坩锅位于水冷隔板另一侧，水冷隔板上形成有开口结构，镀膜主辊与蒸发坩埚正对的一侧恰经所述开口结构伸入到水冷隔板另一侧。

4.根据权利要求2所述的锂离子电池三维多孔集流体制备设备，其特征在于：所述镀膜主辊包括第一面镀膜主辊(6)和第二面镀膜主辊(7)，蒸发坩锅包括第一面蒸发坩锅(14)和第二面蒸发坩锅(15)，阳极层离子源包括第一面阳极层离子源(9)和第二面阳极层离子源(10)，至少一个第一面镀膜主辊(6)和至少一个第二面镀膜主辊(7)平行间隔排列设于真空腔体内，至少一个第一面蒸发坩锅(14)分别与各个第一面镀膜主辊正对设置，至少一个第二面蒸发坩锅(15)分别与各个第二面镀膜主辊正对设置，第一面阳极层离子源(9)和第二面阳极层离子源(10)分别与纤维织品即将进行真空沉积的两侧表面正对。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池三维多孔集流体制备设备，其特征在于：所述蒸发坩埚包括石墨坩埚(16)、绝缘陶瓷层(17)、钣金包裹外层(18)、气相硅绝热层(19)、遮挡板(8)和遮挡驱动装置，所述石墨坩埚(16)为上端形成开口的槽状结构，绝缘陶瓷层(17)固定包覆于石墨坩埚外侧，加热装置为电阻钢片加热层(20)，所述电阻钢片加热层固定包覆于绝缘陶瓷层(17)外侧，气相硅绝热层(19)固定包覆于电阻钢片加热层(20)外侧，钣金包裹外层(18)固定包覆于气相硅绝热层(19)外侧，所述遮挡板(8)能够打开和闭合石墨坩埚(16)上端的开口，所述遮挡驱动装置驱动遮挡板(8)运动实现所述开口的开闭，控制系统控制遮挡驱动装置启停动作。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池三维多孔集流体制备设备，其特征在于：还设有若干辅助辊(3)，各个辅助辊(3)能够转动的安装于真空腔体(12)内，从放卷辊(1)上引出的纤维织品经过至少一个辅助辊导向后缠绕于镀膜主辊一侧表面，从镀膜主辊上引出的纤维织品经过至少一个辅助辊(3)导向后缠绕于收卷辊外侧，所述放卷辊和镀膜主辊之间的一个辅助辊上设有放料张力传感器(4)，收料辊和镀膜主辊之间的一个辅助辊上设有收料张力传感器(5)，所述放料张力传感器(4)和收料张力传感器(5)分别能感应从放料辊上引出的纤维织品张力和即将卷绕于收料辊上的纤维织品张力，放料张力传感器(4)和收料张力传感器(5)分别与控制系统电性连接通信。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池三维多孔集流体制备设备，其特征在于：所述镀膜主辊内部形成有冷却夹层，冷却夹层内通有冷媒。

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