一种均匀且可控的预锂极片制备系统的制作方法

本技术涉及锂离子电池，具体涉及一种均匀且可控的预锂极片制备系统。

背景技术：

1、锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，目前已经成为最重要的电化学器件之一，广泛应用于电动汽车领域、消费电子领域、储能领域等。随着材料、制造工艺、产品设计等的不断优化，锂电池的能量密度也越来越高，在消费电子及电动汽车等领域的使用体验感越来越好。为了使锂电池具有更加广阔的应用市场及更好的用户体验，更高的能量密度是所有锂电行业从业人员不断努力追求的。

2、目前提升锂电池能量密度的最重要的方式之一是预锂。在锂离子电池首次充电过程中，有机电解液会在负极表面还原分解，形成固体电解质相界面(sei)膜，永久地消耗大量来自正极的锂，造成首次循环的库仑效率(ice)偏低，降低了锂离子电池的容量和能量密度。石墨材料作为负极材料，在首次循环中会造成5％-10％的不可逆锂损耗，而对于高容量负极材料硅，在首次循环中会造成15％-35％的不可逆锂损耗，为了解决这个问题，人们研究了预锂化技术。通过预锂化对电极材料进行补锂，抵消形成sei膜造成的不可逆锂损耗，以提高电池的首效，进而提升电池的能量密度。

3、目前，负极预锂化的方法主要包括金属锂预锂、电化学法预锂、有机锂化合物预锂等。现有技术负极金属锂预锂目前最主要的方式是锂片预锂和锂粉预锂，但是锂片无法做到又薄又均匀且误差量小，导致使用锂片预锂无法进行精确控制，并且预锂不均匀；锂粉预锂因为锂粉的活性太高导致实施过程中风险性较高，而且也无法实现很好的预锂均匀性。电化学法预锂过程比较复杂，增加电池制造的工艺流程和成本。有机锂化合物预锂可能会引入了其他不提供容量的元素，从而对提升锂电池的能量密度产生一些不利的影响。

技术实现思路

1、本实用新型针对现有技术中的问题，公开了一种均匀且可控的预锂极片的制备方法及和根据方法开发的制备系统，该方法能实现将熔融状态的液态金属锂浸润至负极极片的亲锂涂层中，从而实现负极极片上预锂的均匀性，并且可以控制亲锂涂层的厚度、涂布浆料的固含量、辊压压力、浸润时间等因素来实现需要的嵌锂量的精确控制，并且较其他方法，更为显著的提升锂离子电池在首圈循环中的库伦效率，进而提升锂离子电池的能量密度。

2、本实用新型是通过以下技术方案实现的：

3、本实用新型提供的一种均匀且可控的预锂极片制备方法，所述制备方法包括：惰性环境下，将第二次辊压后的具有亲锂涂层的极片浸润到熔融的液态金属锂中，然后进行表面挤压，第三次固化。

4、本实用新型的上述设计：通过对具有亲锂涂层的极片进行第二次辊压，可以增强亲锂涂层与活性物质层的粘结强度，但是第二次辊压随着辊压压力的增大会使亲锂涂层的载锂能力下降，所以可以根据实际的涂层情况，给与亲锂涂层0吨-5吨的压力，可以使的亲锂涂层具有一定的载锂能力的基础上增强亲锂涂层与活性物质层的粘结强度；然后将具有亲锂涂层的极片浸润到熔融的液态金属锂中使熔融金属锂均匀地浸润到亲锂涂层中，通过表面挤压、第三次固化，在表面挤压过程中，不仅有利于去除亲锂涂层表面吸附的熔融金属锂，还有利于金属锂更稳定存在于亲锂涂层中；此外，可以控制亲锂涂层的厚度、涂布浆料的固含量、第二次辊压的压力、浸润时间等因素来实现需要的嵌锂量的精确控制。

5、作为进一步方案，所述亲锂涂层的浆料固含量的质量占比为10％-30％。亲锂涂层的浆料固含量会影响亲锂涂层的空隙率，当浆料固含量质量的占比较小时，固化后的亲锂涂层中的空隙更多，浸润的金属锂更多，载锂能力更强，但是浆料固含量太低，会导致亲锂涂层浆料的可涂布性降低；反之，当浆料固含量的质量占比更大时，固化后的亲锂涂层中的空隙更少，使得载锂能力下降，并且也会影响亲锂涂层浆料的可涂布性。

6、作为进一步的方案，所述第二次辊压的压力为0吨-5吨；亲锂涂层的厚度为5μm-30μm；浸润时间为6s-50s；表面挤压的压力为0公斤-100公斤。亲锂涂层的厚度、第二次辊压的压力、表面挤压的压力和浸润时间都会直接影响亲锂涂层的载锂量。当其他条件相同时，亲锂涂层的载锂量，随着亲锂涂层的厚度增加而增大，随着第二次辊压的压力的增大而减少，未完全浸润时随着浸润时间的增加而增加(完全浸润后不再增加)。当把获得浸润后的极片通过表面挤压，表面挤压的压力不仅可以将亲锂涂层表面多余的熔融状态的金属锂去除，还可以一定程度的使亲锂涂层中的金属锂更稳定存在。

7、作为更进一步方案，所述亲锂涂层的浆料固含量的质量占比为15％-25％。有利于亲锂涂层在更好的涂布操作性的基础上，获得合适的空隙率。

8、作为更进一步方案，所述第二次辊压的压力为1吨-3吨；亲锂涂层的厚度为10μm-20μm；浸润的时间为10s-25s。更有利于浸润操作，提升生产效率以及获得可精准控制的载锂量，而且还可以减少因为第二次辊压压力太小亲锂涂层掉粉的情况发生。

9、作为进一步方案，所述亲锂涂层包括亲锂材料。

10、作为更进一步方案，所述亲锂材料包括多孔碳、碳纤维、硬碳、软碳、碳纳米管、石墨烯、石油焦、炭黑中的一种或多种。亲锂材料和熔融的金属锂有很好的亲和性，熔融态的金属锂可快速浸润，有利于均匀嵌锂的极片的制备。

11、作为再进一步方案，所述亲锂材料包括多孔碳。多孔碳的质地更有利于实现熔融液态锂通过浸润的方式进行预锂的过程。

12、作为进一步方案，所述第三次固化的条件为冷风。

13、作为进一步方案，所述制备方法还包括：

14、s1：在集流体两侧分别涂布负极浆料，第一次固化，第一次辊压，获得具有活性物质涂层的极片；

15、s2：在具有活性物质层的极片上涂布亲锂材料，第二次固化，第二次辊压，获得具有活性物质涂层和具有亲锂涂层的极片。

16、作为更进一步方案，所述第一次固化的温度为60℃-80℃，第一次固化的时间为5min-7min；所述第一次辊压的压力为9吨-11吨；所述第二次固化的温度为50℃-70℃，第二次固化的时间为1min-2min。可实现集流体、活性物质涂层和亲锂涂层之间优良的粘结性，并且可获得较好的亲锂涂层，为金属锂的嵌入提供嵌入基础，也可以促进亲锂涂层中的金属锂和活性物质涂层中的活性物质的更好均匀的接触，从而有利于提高电池的首圈库伦效率，进而提升电池的能量密度。

17、作为更进一步方案，所述集流体的厚度为6μm-10μm；所述活性物质涂层的厚度为100μm-200μm。

18、作为更进一步方案，所述集流体为铜箔。

19、作为进一步方案，所述活性物质层包括负极活性物质；作为更进一步方案，所述负极活性物质包括石墨、硬碳、氧化亚硅、硅碳复合材料中的一种或多种。

20、本实用新型还提供了用于所述预锂极片制备方法的制备系统。

21、作为进一步方案，所述系统包括涂布系统、浸润系统和运输系统；

22、所述浸润系统在惰性气氛环境中；

23、所述涂布系统在集流体前进的方向上，依次设置有第一涂布设备、第二涂布设备、辊压设备；所述第一涂布设备与第二涂布设备之间、第二涂布设备和辊压设备之间设置有烘箱；所述第一涂布设备和第二涂布设备分别用于集流体或极片的两侧涂布；

24、所述浸润系统在具有活性物质涂层和亲锂涂层的极片前进的方向上，依次设置有加热罐体、至少2个压辊辊轴和冷风箱；所述压辊辊轴分别位于具有活性物质涂层和亲锂涂层的极片的两侧；

25、所述运输系统包括用于集流体或极片收放和行进装置、第一导向牵引辊轴和第二导向牵引辊轴；

26、所述第一导向牵引辊轴和第二导向牵引辊轴设置于涂布系统的辊压设备之后，所述第一导向牵引辊轴用于导向具有活性物质涂层的极片向涂布系统再次行进；所述第二导向牵引辊轴用于导向具有活性物质涂层和亲锂涂层的极片向浸润系统行进。

27、针对本实用新型的预锂方法，开发了一套相关的预锂流水线生产线系统；本实用新型中的涂布系统可实现一个系统中，可进行分阶段涂布活性物质涂层和亲锂涂层，减少了设备的成本；并且涂布系统还可实现双面涂布。在浸润系统中，在加热罐体和冷风箱之间使用压辊辊轴可清除极片表面吸附的金属锂液，使预锂量精确可控，在一定程度内还可以使金属锂更稳定的存在于亲锂涂层中，还可以提供牵引作用；第一导向牵引辊轴不仅可将只涂覆了活性物质涂层的极片再次导向涂布系统中进行亲锂涂层的涂覆，有利于减少设备的成本和系统的占地面积，而且当设备处于准备进行涂覆亲锂涂层阶段时，第一导向牵引辊轴还可以具有收卷和放卷的功能，为进行涂覆亲锂涂层提供时间上的准备；而第二导向牵引辊轴实现了两种系统连接的同时，从而实现预锂流水线的形成，也具有收卷和放卷的功能，从而有利于为浸润提供时间上的准备。并且本实用新型中的烘箱的个数和长度可以根据生产速度进行设计。

28、作为进一步方案，所述涂布系统中的烘箱为至少具有可用于极片输入和输出的第一通路和第二通路的烘箱，所述烘箱设置在第一涂布设备和第二涂布设备之间；烘箱的第一通路用于集流体或极片经第一涂布设备涂布后的固化，烘箱的第二通路用于集流体或极片另一侧经第二涂布设备涂布后的固化。多通路的烘箱可实现分步涂覆的涂层可使用同一烘箱进行固化，当集流体通过第一涂布设备在上层涂覆浆料后，通过烘箱的第一通路输入和输出，实现上层涂覆浆料的固化，随后通过第二涂布设备进行涂覆集流体下层的涂覆浆料，然后通过烘箱的第二通路的输入和输出，实现下层涂覆浆料的固化，多通路的烘箱有利于减少设备成本和设备的占比面积以及降低生产能耗。

29、作为进一步方案，所述运输系统包括涂布系统牵引辊轴组，用于牵引集流体或极片行进通过涂布系统和改变集流体或极片行进的方向。

30、作为更进一步方案，所述涂布系统牵引辊轴组设置于涂布系统，所述涂布系统牵引辊轴组包括至少2个涂布系统牵引辊轴。

31、作为再进一步方案，所述涂布系统牵引辊轴包括第一涂布系统牵引辊轴和第二涂布系统牵引辊轴，所述第一涂布系统牵引辊轴和第二涂布系统牵引辊轴设置于烘箱和第二涂布设备之间，第一涂布系统牵引辊轴和第二涂布系统牵引辊轴用于改变集流体或极片的行进方向。第一涂布系统牵引辊轴和第二涂布系统牵引辊轴还可以配合第二涂布设备给集流体或极片的另一侧进行涂覆，从而实现集流体或极片的两侧分步涂覆，也可配合多通路烘箱的使用，有利于涂覆层能在烘箱中充分的固化，大大减小设备的占地面积以及降低生产能耗。

32、作为进一步方案，所述运输系统包括浸润系统牵引辊轴组，用于牵引具有活性物质涂层和亲锂涂层的极片从第二导向牵引辊轴行进通过浸润系统。

33、作为更进一步方案，所述浸润系统牵引辊轴组设置于浸润系统，所述浸润系统牵引辊轴组包括至少5个浸润系统牵引辊轴。

34、作为再进一步方案，所述浸润系统牵引辊轴包括第一浸润系统牵引辊轴、第二浸润系统牵引辊轴、第三浸润系统牵引辊轴、第四浸润系统牵引辊轴、第五浸润系统牵引辊轴；所述第一浸润系统牵引辊轴设置于第二导向牵引辊轴和第二浸润系统牵引辊轴中间，用于牵引；所述第二浸润系统牵引辊轴、第三浸润系统牵引辊轴、第四浸润系统牵引辊轴和第五浸润系统牵引辊轴设置于加热罐体中，其中第二浸润系统牵引辊轴和第五浸润系统牵引辊轴位于同一水平面，第三浸润系统牵引辊轴和第四浸润系统牵引辊轴位于第二浸润系统牵引辊轴和第五浸润系统牵引辊轴的水平下方。第一浸润系统牵引辊轴与第二导向牵引辊轴配合，可将具有活性物质涂层和亲锂涂层的极片牵引至浸润系统中，进行预锂。

35、作为进一步方案，所述运输系统中还包括放卷机和收卷机，所述放卷机设置于涂布系统中第一涂布设备前；所述收卷机设置于浸润系统中冷风箱之后；所述涂布系统中集流体或极片一端和放卷机连接；所述浸润系统中已完全浸润熔融金属锂的具有活性物质涂层和亲锂涂层的极片一端和收卷机连接。

36、本实用新型的特点和有益效果为：

37、(1)本实用新型的方法可将熔融的金属锂通过浸润的方式均匀的嵌入极片上的亲锂涂层中，通过控制亲锂涂层的厚度、涂布浆料的固含量、第二次辊压的压力以及浸润时间，实现精准嵌锂量的控制。

38、(2)开发了一套针对本实用新型方法的生产流水线，从而有利于实现预锂极片的流水化的生产。

39、(3)本实用新型较传统的预锂方式，可均匀预锂且精准控制预锂量，更有利于提高电池的首圈放电容量，提升电池的能量密度。