CN109449365A - 一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备及方法，该设备包括放卷辊，用以释放待穿孔的铝箔；收卷辊，用以卷绕已穿孔的铝箔；以及成孔模具，所述成孔模具设置于所述放卷辊和所述收卷辊之间，且具有驱动所述成孔模具上下往复运动的驱动机构，所述成孔模具的顶面均匀设置有若干钢针，所述钢针具有朝向所述铝箔的针尖部。本发明避免涂布漏料与辊压断带现象，得到的产品倍率性能、‑20℃低温放电性能、循环性能均有很大的提升。

Description

一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备及方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备及方法。
背景技术
动力电池对于能量密度的要求越来越高，主流电池厂均采用三元+石墨或者三元+硅碳的化学体系，其能量密度已达到极限。而目前，提升能量密度的方法无非就是：高镍、高电压、硅碳。此外，微孔箔材的开发也浮出水面，但目前没有电池厂批量应用。
近年，动力电池用铝箔从20μm过渡到16μm，目前申请人已实现12μm铝箔批量生产，随着制造水平的提高，铝箔轻量化也会是提升电芯能量密度的一个方向，但超薄铝箔的延展性与强度会急剧下降，将不适用于电芯制造的辊压工序，微孔铝箔的短板也是强度与延展性较差。
微孔铝箔的应用不仅可以小幅提升能量密度，还可以极大的提升电池的倍率性能、低温性能以及循环性能，关于目前开发的微孔铝箔，存在以下两个问题难以解决：目前微孔铝箔的制备工艺是首先将铝箔进行穿孔，然后涂布，这会导致涂布漏料的问题出现，穿孔后的铝箔进行辊压，经常出现断带。
因此，开发一种新的锂离子电池用微孔铝箔成孔设备及方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。
发明内容
为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。
具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备及方法，以减少涂布漏料和辊压断带的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备，包括
放卷辊，用以释放待穿孔的铝箔；
收卷辊，用以卷绕已穿孔的铝箔；
以及成孔模具，所述成孔模具设置于所述放卷辊和所述收卷辊之间，且具有驱动所述成孔模具上下往复运动的驱动机构，
所述成孔模具的顶面均匀设置有若干钢针，所述钢针具有朝向所述铝箔的针尖部。
在本发明中，作为一种改进，所述驱动机构采用气缸。
在本发明中，作为一种改进，所述钢针的外径为50μm-200μm。
在本发明中，作为一种改进，所述放卷辊和所述收卷辊均连接有驱动电机作为动力源。
第二方面，本发明提供了锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，首先将待穿孔的铝箔进行涂布、辊压，卷绕到放卷辊上，然后利用如上所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔设备进行穿孔。
在本发明中，作为一种改进，所述铝箔作为正极极片使用，正极极片的涂布面密度：100g/m2-280g/m2。
在本发明中，作为一种改进，正极极片的涂布详细步骤如下：
将铝箔由放卷装置进入涂布机；
基片的首尾在接片后连接成连续带；
连续带由拉片装置送入张力控制和自动纠偏装置，然后进入涂布装置；
涂布阶段：极片浆料在涂布装置按预定涂布量和空白长度分段进行涂布；
干燥：涂布后的湿极片送入干燥道进行干燥，干燥温度根据涂布速度和厚度而设定；
成型：干极片再经过张力控制和自动纠偏后成型、收卷。
在本发明中，作为一种改进，极片浆料采用如下方法制备得到：将制备的多孔竹碳载硫复合正极材料、导电剂乙炔黑和粘结剂PVDF按一定的质量比进行混合研磨，混合均匀后再边滴加N-甲基吡咯烷酮(NMP)进行溶解分散，继续研磨直至成泥浆的膏体状。
所述多孔竹碳载硫复合正极材料、导电剂乙炔黑和粘结剂PVDF的质量比为7:2:1。
其中，多孔竹碳载硫复合正极材料采用包括如下步骤的方法制备得到：
(1)将天然竹子纤维材料用去离子水清洗，去掉表面污渍，并在85℃烘箱中干燥24h，直至材料表面自由水去除；
(2)将干燥的竹子纤维材料置于碱性溶液中密封浸泡，碱性溶液为KOH溶液，浓度为1.5mol/L，竹子纤维材料浸泡时间为5天；
(3)将浸泡后产物进行干燥，并放入管式炉中以5℃/min的速度升温至850℃，恒温3h；
(4)将步骤3中煅烧后的竹碳产物用酸性溶液清洗，去掉材料表面的残碱及碳酸盐；
(5)将步骤4中酸洗后的竹碳产物充分研磨，称取一定量的竹碳材料先分散在蒸馏水中，加入少量乙醇溶液并通过磁力搅拌使碳材料均匀分散在溶液中。同时称取适量的Na2S2O3·5H2O充当硫源溶解于蒸馏水中，充分溶解后倒入装有碳材料溶液的烧杯中，并加入F127表面活性剂，继续搅拌5h后往烧杯中逐滴加入稀盐酸，通过计算控制盐酸的加入量，以保证硫源的充分析出，烧杯中的颜色会随时间多次发生变化，再加入盐酸溶液后，烧杯中溶液的迅速变成深蓝色，连续搅拌数小时后最终变成深灰色，通过将烧杯中溶液静置24h，再通过滴管吸取上清液，离心等步骤取得所剩物质，将所剩物质在60℃下充分干燥，制得碳硫混合物样品待用；
(6)将步骤5的样品放入管式炉中，通入氩气惰性气体，在155℃温度下真空处理3h，制得多孔竹碳载硫复合正极材料。
在本发明中，作为一种改进，所述铝箔作为正极极片使用，正极极片的辊压压实密度：3.0g/cm3-3.6g/cm3。
在本发明中，作为一种改进，辊压时的温度采用75-85℃。
在本发明中，作为一种改进，穿孔时具体步骤如下：极片手动牵引至收卷辊处贴合卷筒，通过控制面板控制极片放卷速度，极片经过成孔模具上方时，启动气缸，成孔模具的钢针向上击穿箔材，气缸回缩时钢针弹回，放卷辊和收卷辊动作，带动极片向收卷方向移动，进行下一次成孔。
在本发明中，作为一种改进，穿孔时，钢针穿孔速度：0.5m/s-5m/s。
在本发明中，作为一种改进，穿孔时，箔材孔隙率10％-30％。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
本发明首先将铝箔进行涂布、辊压后再均匀成孔，较之传统的锂电池正极的微孔铝箔在涂布前已经均匀成孔，同时本发明采用了特定的正极材料和涂布工艺进行涂布、采用特定的辊压温度进行辊压处理，可避免涂布漏料与辊压断带现象；同时，本发明采用专用的成孔设备，机械成孔，采用直通型空心针管击穿生成孔径可控的微孔箔材，不同于传统的针辊成孔，其微孔的边缘更加齐整，成孔更加均匀，得到的产品倍率性能、-20℃低温放电性能、循环性能均有很大的提升。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是成孔模具的结构示意图；
图3是倍率放电对比图；
图4是-20℃低温放电对比图；
图5是循环性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
如图1和图2所示，一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备，包括放卷辊1，用以释放待穿孔的铝箔2；收卷辊3，用以卷绕已穿孔的铝箔4；以及成孔模具5，所述成孔模具设置于所述放卷辊和所述收卷辊之间，且具有驱动所述成孔模具上下往复运动的驱动机构，所述成孔模具的顶面均匀设置有若干钢针，所述钢针具有朝向所述铝箔的针尖部。本实施例中，所述驱动机构采用气缸(图中未示出)。所述钢针6的外径为50μm-200μm。所述放卷辊和所述收卷辊均连接有驱动电机作为动力源(图中未示出)。
实施例1
锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，首先将待穿孔的铝箔进行涂布、辊压(80℃)，卷绕到放卷辊上，然后利用如上所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔设备进行穿孔，极片手动牵引至收卷辊处贴合卷筒，通过控制面板控制极片放卷速度，极片经过成孔模具上方时，启动气缸，成孔模具的钢针向上击穿箔材，气缸回缩时钢针弹回，放卷辊和收卷辊动作，带动极片向收卷方向移动，进行下一次成孔。
参数如下：
箔材孔隙率17％
孔径100μm
正极涂布面密度：180g/m2
正极压实密度：3.5g/cm3
钢针穿孔速度：2m/s。
实施例2
锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，首先将待穿孔的铝箔进行涂布、辊压(80℃)，卷绕到放卷辊上，然后利用如上所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔设备进行穿孔，极片手动牵引至收卷辊处贴合卷筒，通过控制面板控制极片放卷速度，极片经过成孔模具上方时，启动气缸，成孔模具的钢针向上击穿箔材，气缸回缩时钢针弹回，放卷辊和收卷辊动作，带动极片向收卷方向移动，进行下一次成孔，参数如下：
箔材孔隙率25％
孔径120μm
正极涂布面密度：200g/m2
正极压实密度：3.6g/cm3
钢针穿孔速度：2m/s
实施例3
锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，首先将待穿孔的铝箔进行涂布、辊压(85℃)，卷绕到放卷辊上，然后利用如上所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔设备进行穿孔，极片手动牵引至收卷辊处贴合卷筒，通过控制面板控制极片放卷速度，极片经过成孔模具上方时，启动气缸，成孔模具的钢针向上击穿箔材，气缸回缩时钢针弹回，放卷辊和收卷辊动作，带动极片向收卷方向移动，进行下一次成孔，参数如下：
箔材孔隙率10％
孔径200μm
正极涂布面密度：100g/m2
正极压实密度：3.0g/cm3
钢针穿孔速度：0.5m/s
实施例4
锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，首先将待穿孔的铝箔进行涂布、辊压(75℃)，卷绕到放卷辊上，然后利用如上所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔设备进行穿孔，极片手动牵引至收卷辊处贴合卷筒，通过控制面板控制极片放卷速度，极片经过成孔模具上方时，启动气缸，成孔模具的钢针向上击穿箔材，气缸回缩时钢针弹回，放卷辊和收卷辊动作，带动极片向收卷方向移动，进行下一次成孔；参数为：
箔材孔隙率30％
孔径50μm
正极涂布面密度：280g/m2
正极压实密度：3.6g/cm3
钢针穿孔速度：5m/s
实施例1-4中，正极极片的涂布详细步骤如下：将铝箔由放卷装置进入涂布机；基片的首尾在接片后连接成连续带；连续带由拉片装置送入张力控制和自动纠偏装置，然后进入涂布装置；涂布阶段：极片浆料在涂布装置按预定涂布量和空白长度分段进行涂布；干燥：涂布后的湿极片送入干燥道进行干燥，干燥温度根据涂布速度和厚度而设定；成型：干极片再经过张力控制和自动纠偏后成型、收卷。其中，极片浆料采用如下方法制备得到：将制备的多孔竹碳载硫复合正极材料、导电剂乙炔黑和粘结剂PVDF按质量比为7:2:1进行混合研磨，混合均匀后再边滴加N-甲基吡咯烷酮(NMP)进行溶解分散，继续研磨直至成泥浆的膏体状。
多孔竹碳载硫复合正极材料采用包括如下步骤的方法制备得到：(1)将天然竹子纤维材料用去离子水清洗，去掉表面污渍，并在85℃烘箱中干燥24h，直至材料表面自由水去除；(2)将干燥的竹子纤维材料置于碱性溶液中密封浸泡，碱性溶液为KOH溶液，浓度为1.5mol/L，竹子纤维材料浸泡时间为5天；(3)将浸泡后产物进行干燥，并放入管式炉中以5℃/min的速度升温至850℃，恒温3h；(4)将步骤3中煅烧后的竹碳产物用酸性溶液清洗，去掉材料表面的残碱及碳酸盐；(5)将步骤4中酸洗后的竹碳产物充分研磨，称取一定量的竹碳材料先分散在蒸馏水中，加入少量乙醇溶液并通过磁力搅拌使碳材料均匀分散在溶液中。同时称取适量的Na2S2O3·5H2O充当硫源溶解于蒸馏水中，充分溶解后倒入装有碳材料溶液的烧杯中，并加入F127表面活性剂，继续搅拌5h后往烧杯中逐滴加入稀盐酸，通过计算控制盐酸的加入量，以保证硫源的充分析出，烧杯中的颜色会随时间多次发生变化，再加入盐酸溶液后，烧杯中溶液的迅速变成深蓝色，连续搅拌数小时后最终变成深灰色，通过将烧杯中溶液静置24h，再通过滴管吸取上清液，离心等步骤取得所剩物质，将所剩物质在60℃下充分干燥，制得碳硫混合物样品待用；(6)将步骤5的样品放入管式炉中，通入氩气惰性气体，在155℃温度下真空处理3h，制得多孔竹碳载硫复合正极材料。
对比例
采用市售的微孔铝箔，进行涂布、辊压。
5％左右的微孔铝箔出现漏料，6.7％左右的微孔铝箔出现断带。
将实施例1、2和对比实施例的倍率放电、-20℃低温放电、循环性能进行对比，得到如图3-图5的对比图。
结果证明，实施例1、2的倍率放电、-20℃低温放电、循环性能具有明显的提升。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备，其特征在于：包括
放卷辊，用以释放待穿孔的铝箔；
收卷辊，用以卷绕已穿孔的铝箔；
以及成孔模具，所述成孔模具设置于所述放卷辊和所述收卷辊之间，且具有驱动所述成孔模具上下往复运动的驱动机构，
所述成孔模具的顶面均匀设置有若干钢针，所述钢针具有朝向所述铝箔的针尖部。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备，其特征在于：所述驱动机构采用气缸。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备，其特征在于：所述钢针的外径为50μm-200μm。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池用微孔铝箔成孔设备，其特征在于：所述放卷辊和所述收卷辊均连接有驱动电机作为动力源。
5.锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，其特征在于：首先将待穿孔的铝箔进行涂布、辊压，卷绕到放卷辊上，然后利用如上所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔设备进行穿孔。
6.如权利要求5所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，其特征在于：所述铝箔作为正极极片使用，正极极片的涂布面密度：100g/m2-280g/m2。
7.如权利要求6所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，其特征在于：所述铝箔作为正极极片使用，正极极片的辊压压实密度：3.0g/cm3-3.6g/cm3。
8.如权利要求5所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，其特征在于：辊压时的温度采用75-85℃。
9.如权利要求5所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，其特征在于：穿孔时具体步骤如下：极片手动牵引至收卷辊处贴合卷筒，通过控制面板控制极片放卷速度，极片经过成孔模具上方时，启动气缸，成孔模具的钢针向上击穿箔材，气缸回缩时钢针弹回，放卷辊和收卷辊动作，带动极片向收卷方向移动，进行下一次成孔。
10.如权利要求5所述的锂离子电池用微孔铝箔成孔方法，其特征在于：穿孔时，钢针穿孔速度：0.5m/s-5m/s。
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