一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置及方法

本发明属于电池材料，涉及一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置及方法。

背景技术：

1、随着消费电子产品和电动交通工具市场的蓬勃发展，对于高效的电化学储能设备的需求日渐增加。锂电池作为现代电池技术的代表，具有轻量化设计、高能量密度、长循环寿命等诸多优势，被广泛应用到了交通运输、工业生产以及生活娱乐的电子器件中。当然，较高的能量密度也附加了一定的安全风险，锂电池在深度应用于大电流高功率用电设备中时仍面临严峻的安全挑战。高倍率充放电过程中产生的锂枝晶以及来自内部或外部的应力穿刺可能导致脆弱的聚烯烃隔膜发生破损，电池内部短接造成短路释热。除此之外，电池过度充放电积累的焦耳热或者外在的高温环境可能促使电极材料分解，隔膜受热收缩，同样可能导致电池产生严重的短路现象，进而发生剧烈的热失控，威胁使用人的人身财产安全。鉴于锂电池存在的热学和力学问题，开发具有高热稳定性和机械强度的电池隔膜一直是储能领域研究的焦点。

2、在电池隔膜表面涂覆安全性材料并进行固化是一种行之有效的策略，可协助构建兼备耐热性和机械强度的新型隔膜，有效抵抗极片边缘毛刺、高倍率充放电产生的内应力和金属枝晶、局部高热等不良情况对电池造成的安全及性能损伤。迄今为止，在锂电池隔膜领域，已有数量众多的涂覆隔膜被开发投入研究与使用，如氧化铝涂覆隔膜、聚偏氟乙烯涂覆隔膜、芳纶纳米纤维涂覆隔膜等。涂覆隔膜的设计提高了电池安全性能，但较多惰性材料的引入以及厚涂覆层的存在削弱了电池的电化学性能及体积能量密度。

3、等离子体技术作为一种高效清洁的处理手段，可改善涂覆层的纳米孔道结构，提高涂覆隔膜的表面能，同时，高能态粒子可促使气态前驱体与涂覆层发生化学反应，实现表面化学修饰以增强材料性能的效果。值得注意的是，等离子体技术的穿透厚度仅为纳米级，对微米级涂层厚膜的深度处理效果较差，同时对于涂覆隔膜的压实密度几乎毫无影响。单纯增加辊压工序无法有效控制隔膜涂覆层的回弹，同时会增加拆装隔膜料卷的步骤，复杂化锂电池涂覆隔膜的改性工艺，不利于商业化推广。因此，亟待开发一种联用辊压与等离子技术的一体化处理装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中等离子体技术或辊压工序只能改进某一关键问题，难以实现高安全和高性能兼顾的技术问题，提供一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置及方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，包括集成于装置主体中的卷对卷设备(1)、辊压设备(2)、大气等离子体处理设备和真空等离子体处理设备；所述卷对卷设备(1)用于传动并平整隔膜；所述大气等离子体处理设备和所述真空等离子体处理设备沿卷对卷设备(1)的传动方向依次设置；所述辊压设备(2)为若干个，分别设置于装置主体中的前端或后端。

4、进一步地，所述大气等离子体处理设备包括多自由度平台(7)；所述多自由度平台(7)内设置有高压放电控制装置(3)和储气瓶(4)；多自由度平台(7)上方设置有若干等离子体清洗模组(6)。

5、进一步地，所述多自由度平台(7)后端还设置有尾气回收连通口(8)，用于回收尾气。

6、进一步地，所述真空等离子体处理设备包括密闭处理空腔；所述密闭处理空腔内设置有放电电极(10)，放电电极(10)还包括放电阻挡介质；密闭处理空腔外部连接地线(11)；密闭处理空腔上端还连接有混合气体装置(9)。

7、进一步地，所述混合气体装置(9)上还设置有气体流量计；混合气体装置(9)内的载气为氮气、氩气、氢气、氙气、氧气、氦气、氟化碳和氟利昂中的一种或多种混合物。

8、进一步地，所述卷对卷设备(1)包括设置值于前端的放卷装置、后端的收卷装置以及若干组辊轴；收卷装置尾部连接锂电池改性涂覆隔膜料轴(13)；所述辊轴尾部连接伺服电机并集成于装置主体中。

9、进一步地，所述装置主体内壁上方还设置有气体传感器(5)，用于检测气体是否泄漏；所述卷对卷设备(1)上的隔膜两侧还设置有纠偏传感器(12)。

10、进一步地，所述真空等离子体处理设备为微波等离子体处理装置、远程微波等离子体处理装置或桌面微波等离子体处理装置。

11、第二方面，本发明提供一种上述装置的锂电池涂覆隔膜的一体化处理方法，包括以下步骤：

12、将安全型涂覆材料与粘结剂添加至有机溶剂中进行搅拌，得到涂覆浆料；

13、将涂覆浆料置于涂覆设备放料板上，进一步涂覆至锂电池基膜表面并进行溶剂挥发和干燥处理，得到涂覆隔膜料卷；

14、将涂覆隔膜料卷安装在卷对卷传输设备中，通过辊压设备(2)对隔膜料卷进行辊压，再经过大气等离子体处理设备在隔膜表面造孔，最后通过真空等离子体处理设备创造均匀的含氟表面并改善载流子分布，得到锂电池涂覆隔膜。

15、进一步地，所述溶剂挥发和干燥处理过程中同时进行尾气连续回收处理；所述安全型涂覆材料为金属氧化物、非金属陶瓷、无机聚合物、合成聚合物、生物大分子、多环化合物或有机无机复合材料；所述粘结剂为pva、pvdf、paa、ptfe、羧甲基纤维素、聚合物导电胶、环氧树脂和硅橡胶中的一种或多种混合物；所述有机溶剂为dme、dee、dmf、nmp、丙二酮和乙二酸二甲酯中的一种或多种混合物；安全型涂覆材料与粘结剂的质量比为(1～10):1；安全型涂覆材料与粘结剂在涂覆浆料中的质量占比为1wt％～99wt％；所述锂电池基膜材质为pp、pe、pva、pvdf、pp/pe/pp和芳纶中的一种或多种复合物。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明公开了一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置及方法，前置辊压设备与大功率大气等离子体处理设备联用，可创造等离子体处理的合适条件，在辊压结束与活性涂覆层回弹的间隙进行即时处理，创造丰富的纳米孔道结构，增强快离子传输能力。在涂覆隔膜表面造孔结束后，使用小功率的真空等离子体处理方式，激发高能态的氟等离子体使聚合物分子开环氟化，创造均匀的含氟表面以改善载流子分布。不同类型的等离子体设备联用，可创造具有丰富纳米孔道结构和高反应活性表层的锂电池涂覆隔膜，解决了传统改性方法只能改进某一关键问题，难以实现高安全和高性能兼顾的窘境。等离子体处理结束后顺次进行辊压以获得指定厚度的改性涂覆隔膜，反复的辊压工序可将隔膜厚度控制在商业化电池的可接收厚度范围内，避免电池体积能量密度的过度削弱。本发明相比于常见的表面改性方法(溶剂浸渍、喷涂、化学接枝、单纯等离子体刻蚀)，最大限度发挥了等离子体技术的处理能力，对锂电池涂覆隔膜具有更佳的处理效果。并且该工序可以在同一组卷对卷设备上连续进行，实现高性能隔膜的规模化处理与低劳力成本控制，极大改善了改性隔膜高制作成本、工序复杂、材料损耗大的问题；具有极强的商业化应用潜力。

技术特征：

1.一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，包括集成于装置主体中的卷对卷设备(1)、辊压设备(2)、大气等离子体处理设备和真空等离子体处理设备；所述卷对卷设备(1)用于传动并平整隔膜；所述大气等离子体处理设备和所述真空等离子体处理设备沿卷对卷设备(1)的传动方向依次设置；所述辊压设备(2)为若干个，分别设置于装置主体中的前端或后端。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，所述大气等离子体处理设备包括多自由度平台(7)；所述多自由度平台(7)内设置有高压放电控制装置(3)和储气瓶(4)；多自由度平台(7)上方设置有若干等离子体清洗模组(6)。

3.根据权利要求2所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，所述多自由度平台(7)后端还设置有尾气回收连通口(8)，用于回收尾气。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，所述真空等离子体处理设备包括密闭处理空腔；所述密闭处理空腔内设置有放电电极(10)，放电电极(10)还包括放电阻挡介质；密闭处理空腔外部连接地线(11)；密闭处理空腔上端还连接有混合气体装置(9)。

5.根据权利要求4所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，所述混合气体装置(9)上还设置有气体流量计；混合气体装置(9)内的载气为氮气、氩气、氢气、氙气、氧气、氦气、氟化碳和氟利昂中的一种或多种混合物。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，所述卷对卷设备(1)包括设置值于前端的放卷装置、后端的收卷装置以及若干组辊轴；收卷装置尾部连接锂电池改性涂覆隔膜料轴(13)；所述辊轴尾部连接伺服电机并集成于装置主体中。

7.根据权利要求6所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，所述装置主体内壁上方还设置有气体传感器(5)，用于检测气体是否泄漏；所述卷对卷设备(1)上的隔膜两侧还设置有纠偏传感器(12)。

8.根据权利要求7所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置，其特征在于，所述真空等离子体处理设备为微波等离子体处理装置、远程微波等离子体处理装置或桌面微波等离子体处理装置。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述装置的锂电池涂覆隔膜的一体化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理方法，其特征在于，所述溶剂挥发和干燥处理过程中同时进行尾气连续回收处理；所述安全型涂覆材料为金属氧化物、非金属陶瓷、无机聚合物、合成聚合物、生物大分子、多环化合物或有机无机复合材料；所述粘结剂为pva、pvdf、paa、ptfe、羧甲基纤维素、聚合物导电胶、环氧树脂和硅橡胶中的一种或多种混合物；所述有机溶剂为dme、dee、dmf、nmp、丙二酮和乙二酸二甲酯中的一种或多种混合物；安全型涂覆材料与粘结剂的质量比为(1～10):1；安全型涂覆材料与粘结剂在涂覆浆料中的质量占比为1wt％～99wt％；所述锂电池基膜材质为pp、pe、pva、pvdf、pp/pe/pp和芳纶中的一种或多种复合物。

技术总结
本发明公开了一种锂电池涂覆隔膜的一体化处理装置及方法，属于电池材料技术领域；装置包括集成于装置主体中的卷对卷设备、辊压设备、大气等离子体处理设备和真空等离子体处理设备；所述卷对卷设备用于传动并平整隔膜；所述大气等离子体处理设备和所述真空等离子体处理设备沿卷对卷设备的传动方向依次设置；所述辊压设备为若干个，分别设置于装置主体中的前端或后端。本发明针对锂电池涂覆隔膜，将辊压与等离子技术联用，开发辊压与等离子体改性一体化的处理装置及方法，实现“边辊压边处理”的效果，具有重要的商业价值和现实意义。

技术研发人员：王嘉楠,崔翔明,陈信,周密,延卫
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1