EA027195B1 - Способ сушки для эффективного по стоимости изготовления литиевых аккумуляторов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу изготовления литиевых аккумуляторных батарей (большого формата), включающему стадии обеспечения одного или более электрохимических элементов, введения одного или более электрохимических элементов в пакет, частичной герметизации пакета с одним или более электрохимическими элементами, введения пакета с одним или более электрохимическими элементами в сушильную печь, выдерживания пакета в сушильной печи в течение определенного времени, извлечения пакета из сушильной печи, перенесения высушенных пакетов на станцию заполнения электролитом, заполнения пакета электролитом и герметизации пакета, причем производственные стадии проводят в производственных условиях нормальной окружающей среды и только выбранные критические производственные стадии проводят в условиях сухого помещения.

Description

Изобретение относится к изготовлению литиевых элементов большого формата для аккумуляторных батарей.

При изготовлении литиевых элементов для аккумуляторных батарей известная проблема состоит в том, что литиевые элементы должны содержать только минимальное количество воды, так как вода приводит к коррозии и побочным реакциям, что, в свою очередь, может приводить к потере рабочих параметров соответствующих элементов, например к потере емкости, недостатку потенциальной мощности и т.д.

Содержание воды в литиевом элементе обычно должно быть меньше чем 30 миллионных долей (м.д.). В общем, это достигается за счет манипулирования с материалами и процессами в строго сухих условиях. Оборудование и материалы доставляют в сухие помещения с пониженной влажностью. Однако возведение и техническое обслуживание полноразмерных сухих помещений, которые способны принимать необходимое производственное оборудование, является очень затратным.

Еще одна проблема сухих помещений состоит в том, что персонал, необходимый для работы с производственным оборудованием, должен иметь возможность входить и покидать сухое помещение без создания помех для сухих условий помещения, точно также, как материал, необходимый для производственного процесса, должен доставляться в сухое помещение. Тело человека переносит в такие сухие помещения значительные количества влаги. После открытия, например для доставки оборудования, материалов или входа людей, требуется продолжительное время для достижения снова рабочих условий для лития, что является контрпродуктивным и делает весь процесс очень дорогим. Кроме того, влажность может приводить к трудностям в управлении производственными процессами и, таким образом, к более низкому качеству продукции. Также это приводит к более трудным рабочим условиям для работающих, которые подвергаются воздействию экстремально сухих условий в течение продолжительных периодов времени.

Для решения упомянутых выше проблем было предложено, чтобы материалы для изготовления литиевых элементов были предварительно просушены перед тем, как их доставляют в сухие помещения, что уменьшает количество поступающей влаги. Однако это не решает общей проблемы, которая возникает в результате того, что необходимо создавать и поддерживать сухие помещения очень больших объемов.

Соответственно, все еще остается необходимость в предоставлении решения для изготовления литиевых элементов большого формата, которое эффективно преодолевает упомянутые выше проблемы.

Предложен способ изготовления литиевых аккумуляторных батарей большого формата со стадиями сборки блока электрохимических элементов, введения собранного блока в пакет, частичной герметизации пакета с блоком электрохимических элементов, введения пакета с блоком электрохимических элементов в сушильную печь, выдерживания пакета в сушильной печи в течение определенного времени, переноса высушенных пакетов на станцию заполнения электролитом, заполнения пакета электролитом и полной герметизации пакета, причем данный способ отличается от известного состояния техники тем, что производственные стадии проводят в производственных условиях нормальной окружающей среды и только выбранные критические производственные стадии проводят в условиях сухого помещения.

Данный способ эффективно обеспечивает возможность изготовления литиевых элементов большого формата, которыми можно манипулировать в нормальных рабочих условиях окружающей среды, в которых сухие помещения не являются необходимыми, так как только критические части производственного процесса проводят в условиях сухого помещения, причем среда сухих помещений ограничена только выбранными машинами, такими как сушильные печи и/или станция заполнения электролитом, которые поддерживают в инертном газе или сухом воздухе.

Предпочтительно, ограниченная доля производственных стадий состоит во введении пакета в сушильную печь, выдерживании внутри и перенесении из нее, но также она может включать заполнение пакета электролитом. Сушильная печь имеет диапазон температуры до 200°С, но обычно поддерживается при 120°С. Диапазон давлений составляет 0-400 мбар абс., обычно 50 мбар абс., при этом давление постоянное или изменяемое. В заключение, время сушки варьируется от 1 до 100 ч, но остается, как правило, между 12 и 48 ч.

При данных условиях вода, которая может быть связанной водой, пористой или кристаллической водой, будет диффундировать из элементов.

Печь может состоять из центральной камеры, которая выполнена по вакуумной технологии. Ее форма не имеет значения. Принцип может быть модульным. Для внесения элементов в сушильную печь и из нее могут быть предусмотрены два воздушных шлюза.

Внутри сушильной печи элементы можно хранить любым традиционным способом и можно перемещать во время сушки или нет.

Для перенесения пакета из сушильной печи на станцию заполнения может быть использован туннель с условиями сухого помещения.

В еще одном предпочтительном варианте реализации пакеты можно непрерывно перемещать через производственный процесс.

Можно отметить, что извлечение воды является особой проблемой для литиевых элементов боль- 1 027195 шого формата, потому что извлечение воды становится все более и более трудным для элементов большого формата. Литиевым элементом большого формата может считаться литиевый элемент с размером примерно 10 см или более в по меньшей мере одном измерении. Размер может быть намного больше. Типичный пример литиевого элемента большого формата может включать размер, соответствующий формату ΌΙΝ А5 или больше, но возможные форматы не ограничены конкретным соотношением длины к ширине. Литиевый элемент большого формата, как правило, содержит по меньшей мере два электрода, анод и катод, и сепаратор, расположенный между анодом и катодом. В двухэлементной конфигурации литиевый элемент большого формата, как правило, содержит один двухсторонний анод, два сепаратора, расположенных на обеих сторонах анода, и два катода или один двухсторонний катод, два сепаратора, расположенных на обеих сторонах катода, и два анода. Каждый электрод содержит токосъемник, например, в виде металлической фольги, и активный электродный материал. В данной области известно большое множество материалов токосъемников, активных электродных материалов и сепараторных материалов. Изобретение не ограничено конкретным материалом или комбинацией материалов. Ширина зазора между токосъемниками, как правило, меньше чем 1 мм. Обычное поперечное диффузионное расстояние от середины электрода до края составляет между 10 и 20 см. Цель состоит в том, чтобы иметь элемент в гомогенном сухом состоянии.

Для усиленной сушки может быть применен специальный эффект выкачивания водяного пара из элемента. В печи применяют изменения давления. Например, давление уменьшают до 200 мбар абс. Спустя определенное время установится равновесие, связанное с давлением водяного пара в структуре. Некоторая часть диффундирует из элемента, хотя это представляет собой медленный процесс. Для усиления переноса воды давление в печи уменьшают, и водяной пар переносится из элемента. Повторение данного цикла приводит к постепенному понижению содержания воды в элементе.

Кроме того, процесс сушки совсем не должен приводить к полному высушиванию. В элементе может оставаться небольшое количество влаги. Оно может составлять, например, 300 м.д. В дальнейшем данную остаточную воду быстро снижают до значения <30 м.д. посредством заполнения электролита.

Предложенный способ может быть использован для любого материала в технологии литиевых аккумуляторов, включая любой анодный материал, любой катодный материал, любой сепараторный материал и любой электролит, применимый в технологии литиевых аккумуляторов.

Кроме того, признаки и характеристики могут быть взяты из следующего неограничивающего описания предпочтительных вариантов реализации способа и используемой в нем сушильной печи со ссылкой на приложенные фигуры, показывающие фиг. 1 - схематичное изображение круглой вакуумной сушильной печи и фиг. 2 - схематичное изображение модульного принципа для сушильной печи с вакуумными трубками.

На фиг. 1 показано схематичное изображение круглой вакуумной сушильной печи 2 с цилиндрическим корпусом 4 печи, который закрыт на дне, но открыт сверху, и крышкой 6 печи, чтобы закрывать цилиндрический корпус 4 печи воздухонепроницаемым образом.

На заднем плане показана впускная труба 8, а на переднем плане - аналогичная выпускная труба 10, через которую поддоны (не показаны) с элементами 12 литиевых аккумуляторов можно вводить в цилиндрический корпус 4 печи. В этом конкретном варианте реализации линии с аккумуляторными элементами движутся в цилиндрический корпус печи и из него на непрерывной движущейся ленте 14, которую, конечно, можно заменить на любое другое средство для перемещения аккумуляторных элементов в печь 2 и из нее.

Литиевые аккумуляторные элементы большого формата по фиг. 1, которые перемещают в печь 2 и из нее, содержат блок электродов, который был введен в пакет (карман), который частично герметизируют при введении в сушильную печь 2.

В варианте реализации, показанном на фиг. 1, частично герметизированные пакеты с электродными блоками, которые образуют аккумуляторные элементы, медленно движутся между движущейся лентой 14, входящей в печь 2 через впускную трубу 8, и лентой 14, выходящей из печи через выпускную трубу 10, контролируемым по времени образом при температуре 120°С, давлении 50 мбар абс., которое может быть постоянным или переменным, в течение промежутка времени сушки между 12 и 48 ч.

На фиг. 2 показано схематичное изображение модульного принципа для сушильной печи 16, состоящей из вакуумных труб 18. Как можно видеть на заднем плане фиг. 2, аккумуляторные элементы 12 опять перемещают на движущихся лентах 14 в печь 16, т.е. вакуумные трубы 18, через впускной шлюз 20, который имеет входной затвор 22 и выходной затвор 24. Аккумуляторные элементы 12 затем перемещаются через вакуумные трубы 18 печи 16 в течение определенного времени, как уже описано выше со ссылкой на фиг. 1, и выходят из печи через другой выпускной шлюз 26, имеющий входной затвор 28 и выходной затвор 30.

Из выходного затвора 30 высушенные аккумуляторные элементы перемещают через переходный туннель 32, который поддерживают в сухой атмосфере посредством инертного газа или сухого воздуха, на станцию 34 заполнения электролитом, которая в показанном на фиг. 2 варианте реализации представляет собой стеклянный отсек, который также поддерживают в сухой атмосфере.

- 2 027195

Из данной станции 34 заполнения электролитом аккумуляторные элементы движутся в погрузочную станцию 36.

В установке по фиг. 2 только печь 16, переходный туннель 32 и станцию 34 заполнения электролитом поддерживают в условиях сухого помещения, так что больше нет необходимости возводить полноразмерные сухие помещения, в которых изготавливают аккумуляторные батареи.

Claims (6)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ изготовления литиевых аккумуляторных батарей, в котором каждая из литиевых аккумуляторных батарей содержит множество литиево-ионных электрохимических элементов, включающих аноды и катоды, разделенные по меньшей мере одним сепаратором, и каждый из указанных литиевоионных элементов имеет размер 10 см или более по меньшей мере в одном измерении длине, ширине, высоте, включающий стадии сборки блока из двух или более анодов, катодов и сепараторов;

   помещения собранного блока из двух или более анодов, катодов и сепараторов в оболочку в виде пакета;

   частичного запечатывания оболочки с блоком из двух или более анодов, катодов и сепараторов с возможностью последующего заполнения оболочки электролитом;

   помещения блока в оболочке, содержащего два или более анода, катода и сепаратора в сушильную печь;

   выдерживание вышеуказанного блока в сушильной печи; извлечение вышеуказанного блока из сушильной печи;

   перенесение высушенного вышеуказанного блока на станцию заполнения электролитом; заполнение оболочки вышеуказанного блока электролитом; и герметизации оболочки, при этом все производственные операции за исключением критических проводят в условиях нормальной окружающей среды, при этом критические производственные операции, включающие помещение вышеуказанного блока в сушильную печь, выдерживание вышеуказанного блока в сушильной печи и извлечения вышеуказанного блока из сушильной печи, выполняют в условиях сухого помещения с контролируемым низким уровнем влажности, при этом дополнительно в условиях сухого помещения с контролируемым низким уровнем влажности выполняют заполнение вышеуказанного блока электролитом, при этом вышеуказанный блок переносят из сушильной печи на станцию заполнения через туннель, где поддерживаются условия сухого помещения с контролируемым низким уровнем влажности.
2. 2. Способ по п.1, при котором пакеты перемещают непрерывно на протяжении производственного процесса.
3. 3. Способ по п.1, при котором вышеуказанные блоки перемещают группами на протяжении производственного процесса.
4. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором условия сухого помещения с контролируемым низким уровнем влажности поддерживают посредством сухого газа или сухого воздуха.
5. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором сушильную печь поддерживают под давлением ниже атмосферного, и при этом стадии помещения в сушильную печь и извлечения из сушильной печи вышеуказанного блока проводят через соответствующие воздушные шлюзы.
6. 6. Способ по п.5, при котором давление ниже атмосферного внутри сушильной печи поддерживают на протяжении времени, в течение которого вышеуказанный блок находится внутри сушильной печи для достижения выкачивающего эффекта.