CN113909012A - 一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，包括喷涂单元，喷涂单元包括：料浆桶；搅拌器，其搅拌棒伸入料浆桶内；导管，其一端与料浆桶底部连通，另一端与静电喷涂针头连通，静电喷涂针头设于壳体内部；壳体相对的两个壁上设有槽口；推进和限流装置，用以控制导管中的涂料的流速和流量；干燥装置，其设于壳体外部；生产设备还包括：气氛热还原处理装置，其设于干燥装置外部；导轨，其穿过槽口，且其两端分别与第一收卷轮和第二收卷轮连接；导轨的传送方向为自第一收卷轮至第二收卷轮；驱动装置，其设于气氛热还原处理装置和第二收卷轮之间，用以驱动导轨的传送。本发明可实现品质优良且性能可控的石墨烯涂层导电集流体的大规模生产。

Description

一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备
技术领域
本发明涉及装备制造技术领域，具体涉及一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备。
背景技术
导电集流体是锂离子电池电芯的重要组成部分，起到附着电池活性物质，导电，连接电池电极材料和外部电源，保证电池结构完整性和稳定性等作用，但不经过处理的普通导电集流体存在粘附效果差，内阻高，涂覆后整体导电性差，长时间循环或高电压下容易被电解液侵蚀等问题，为此，人们多采用涂碳铝箔来解决上述问题，即通过流延的方式在集流体的两个表面分别涂覆一层厚度为1-2μm的导电碳涂层，提高了电极材料与集流体之间的粘附力，提高了整体极片的导电性，提高了导电集流体耐电解液腐蚀和耐高压等性能。然而，传统的涂碳铝箔涂层较厚，既增加了成本，由增加了电极片的整体内阻，而且导电炭黑颗粒的导电性能较差，对集流体的保护效果不理想。
石墨烯具有极高的电子导电性和机械特性，纳米尺寸的二维结构可以形成超薄致密的保护涂层，其表面形成的褶皱结构能够有效提高电极材料的粘附效果。有研究表明，相同测试条件下，涂石墨烯铝箔的电池连续充放电950h后仍保持91％的可逆比容量，而传统铝箔的电池可逆比容量仅剩75％。由此可见，石墨烯作为导电集流体的表面涂层，具有非常广阔的应用前景。
然而，目前涂石墨烯铝箔仍处于实验室研发阶段，主要原因是制备方法多采用化学气相沉积等成本昂贵，难以实现批量化生产的制备技术，且仅能进行小批量，间歇式方式制备。
综上所述，一种连续式、低成本的石墨烯涂层导电集流体的生产设备的设计和实现，具有重大意义。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，以解决上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明实施例提供了一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，包括喷涂单元，喷涂单元包括：
料浆桶，其顶部设有开口；
搅拌器，其设于料浆桶顶部外侧、且其搅拌棒自料浆桶的顶部开口处伸入料浆桶内；
导管，其一端与料浆桶底部连通，另一端与静电喷涂针头连通，静电喷涂针头设于壳体内部；壳体平行于静电喷涂针头的喷涂方向、且相对的两个壁上均设有槽口，槽口垂直于静电喷涂针头的喷涂方向；
推进和限流装置，其用以控制导管中的涂料的流速和流量；
干燥装置，其设于壳体外部、且靠近一个槽口处；
生产设备还包括：
气氛热还原处理装置，其设于干燥装置外部、且背离壳体一侧处；
导轨，其两端各穿过壳体上的一个槽口，且其两端分别与第一收卷轮和第二收卷轮连接；第一收卷轮设于壳体外部、且背离干燥装置一侧处，第二收卷轮设于气氛热还原处理装置外部、且背离干燥装置一侧处；导轨的传送方向为自第一收卷轮至第二收卷轮；导轨穿过干燥装置和气氛热还原处理装置；
驱动装置，其设于气氛热还原处理装置和第二收卷轮之间，其用以驱动导轨的传送。
优选地，喷涂单元有两个，两个喷涂单元的喷涂方向相反；两个喷涂单元沿导轨的传送方向依次设置。
进一步地，还包括转向轮，其设于两个喷涂单元之间；导轨与转向轮表面接触。
优选地，还包括多个耐高温钢制导轮，其分别设于干燥装置和气氛热还原处理装置中；耐高温钢制导轮与导轨表面接触。
优选地，静电喷涂针头由1-12个子针头组成。
优选地，壳体中设有鼓风装置与灭火装置。
优选地，静电喷涂时的正极电压为10-30kV。
优选地，干燥装置的干燥温度为70-110℃。
优选地，气氛热还原处理装置内从左至右依次分为三个温区，位于左右两侧的温区的温度均为70-100℃，位于中间的温区的温度为300-500℃。
进一步地，气氛热还原处理装置内部通有保护气体，保护气体为N2、Ar、CO2中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，可制备出性能优良的石墨烯涂层导电集流体，克服了传统涂碳铝箔的导电性不足、包覆保护效果欠佳的缺点，充分的发挥了石墨烯材料的极高的导电性和极薄的二维结构等优势，进一步提高了导电集流体的电化学稳定性和耐高压的性能。
(2)本发明提供的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，通过调整电压、静电喷涂针头的子针头数量、传送速度等多项工艺参数可使其制备出的石墨烯涂层导电集流体的石墨烯涂层厚度实现10nm以上精确可调，降低了导电集流体与电极材料接触的内阻的同时，也大大降低了生产制备成本。
(3)本发明提供的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，实现了石墨烯涂层导电集流体的一步式连续化批量生产。
(4)本发明提供的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其结构简单且模块化，易于实现大规模工业化复制和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的附图。
以下附图仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何形式的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的的前提下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例1提供的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备示意图；
图2为本发明实施例2提供的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备示意图。
附图标记说明：
图中，1-搅拌器，2-料浆桶，3-推进和限流装置，4-导管，5-第一收卷轮，6-壳体，7-静电喷涂针头，8-干燥装置，9-气氛还原热处理装置，10-耐高温钢制导轮，11-导轨，12-驱动装置，13-第二收卷轮，14-转向轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等旨在区别指代的对象。对于具有时序流程的方案，这种术语表述方式不必理解为描述特定的顺序或先后次序，对于装置结构的方案，这种术语表述方式也不存在对重要程度、位置关系的区分等。
此外，术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本发明构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，如图1所示。
本生产设备包括一个喷涂单元，该喷涂单元包括：
料浆桶2，其顶部设有开口；
搅拌器1，其设于料浆桶2顶部外侧、且其搅拌棒自料浆桶2的顶部开口处伸入料浆桶2内；料浆桶2内部装有氧化石墨烯溶液，并由搅拌器1不断搅拌，保证氧化石墨烯溶液均匀分散；
导管4，其一端与料浆桶2底部连通，另一端与静电喷涂针头7连通，静电喷涂针头7设于壳体6内部；壳体6平行于静电喷涂针头7的喷涂方向、且相对的两个壁上均设有槽口，槽口垂直于静电喷涂针头7的喷涂方向；静电喷涂针头由1-12个子针头组成，可以通过变换子针头的数量来控制石墨烯涂层喷涂的厚度；壳体6内设有鼓风装置和紧急灭火装置，鼓风装置能够将静电喷涂设备中的气体迅速排出，紧急灭火装置能够自动感应着火启动以及人工紧急启动，喷出干粉，扑灭火源；
推进和限流装置3，其用以控制所述导管4中的涂料的流速和流量；推进和限流装置3由推注装置和限流装置共同组成，能够保证石墨烯溶液匀速挤出；
干燥装置8，其设于壳体6外部、且靠近一个槽口处；干燥装置8由温度控制***和鼓风装置组成，温度控制在70-110℃之间，鼓风装置能够迅速将烘干设备中的气体排出；
生产设备还包括：
气氛热还原处理装置9，其设于干燥装置8外部、且背离壳体6一侧处；气氛热还原处理装置9由梯度升温和气氛保护组成，装置两端温度为70-199℃，中间温度为300-500℃，装置全程不断涌入保护气体进行气氛保护，保护气体包括N2，Ar和CO2的一种或几种；
导轨11，其两端各穿过壳体6上的一个槽口，且其两端分别与第一收卷轮5和第二收卷轮13连接；第一收卷轮5设于壳体6外部、且背离干燥装置8一侧处，第二收卷轮13设于气氛热还原处理装置9外部、且背离干燥装置8一侧处；导轨11的传送方向为自第一收卷轮5至所述第二收卷轮13；导轨穿过干燥装置8和气氛热还原处理装置9；
驱动装置12，其设于气氛热还原处理装置9和所第二收卷轮13之间，其用以驱动导轨11的传送；第一收卷轮5和第二收卷轮13用于收放导电集流体箔，速度与驱动装置12匹配；
干燥装置8和气氛热还原处理装置9内部均设有若干耐高温钢制导轮10，用以辅助导轨11在该两处的运动；导轨11的材质也同样为耐高温钢；
静电喷涂时，高压电源的负极接在导轨11上，电压为(-5)～0kV；正极接在静电喷涂针头7上，电压为10-30kV。
本实施例提供的石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其使用方法为：
将导电集流体(金属箔)置于第一收卷轮5上面，另一端接第二收卷轮13，卷收制备好的涂石墨烯导电集流体；导电集流体经导轨11和驱动装置12传送入喷涂单元中，通过静电喷涂针头7在其一面喷涂氧化石墨烯，通过干燥装置8对导电集流体进行烘干处理，除去氧化石墨烯中的溶剂；最后将单面喷涂氧化石墨烯的导电集流体传送至气氛热还原处理装置9中进行热处理，保护气氛选择CO2、N2或Ar气的一种和几种，通过不断向还原炉内通入上述气体实现气氛保护；
氧化石墨烯溶液置于浆料桶2中，通过搅拌器1不断地进行搅拌；通过控制喷涂单元中静电喷涂针头7的数量、推进和限流装置3的给料速度和驱动装置12的配速来控制石墨烯涂层的厚度；驱动装置12可以是连续式的或间歇式的；气氛热还原处理装置9由三段组成，前段是鼓风烘干，中间段是气氛高温热还原，尾段是降温处理。
利用本实施例的石墨烯涂层导电集流体的生产设备可以直接生产制备具有单面涂覆石墨烯涂层的石墨烯涂层导电集流体。
实施例2
本实施例提供了一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其结构与实施例1基本相同，区别在于：
本实施例提供的生产设备具有两个喷涂单元，两个喷涂单元的喷涂方向相反，且沿第一收卷轮5至第二收卷轮13的方向依次设置；
本实施例提供的生产设备还包括转向轮14，其设于两个喷涂单元之间。
本实施例提供的氧化石墨烯涂层导电剂流体的生产设备，其使用方法为：
将导电集流体(金属箔)置于第一收卷轮5上面，另一端接第二收卷轮13，卷收制备好的涂石墨烯导电集流体；导电集流体经导轨11和驱动装置12传送入喷涂单元中，通过静电喷涂针头7在其一面喷涂氧化石墨烯，通过干燥装置8对导电集流体进行烘干处理，除去氧化石墨烯中的溶剂；然后经过转向轮14，将导电集流体进行转向，传送入另一个喷涂单元中，对其另一面进行静电喷涂氧化石墨烯，控制参数与喷涂第一面时相同，以保证两面喷涂厚度一致，通过干燥装置8对导电集流体进行第二次烘干处理，除去表面氧化石墨烯中的溶剂；最后将单面喷涂氧化石墨烯的导电集流体传送至气氛热还原处理装置9中进行热处理，保护气氛选择CO2、N2或Ar气的一种和几种，通过不断向还原炉内通入上述气体实现气氛保护；
氧化石墨烯溶液置于浆料桶2中，通过搅拌器1不断地进行搅拌；通过控制喷涂单元中静电喷涂针头7的数量、推进和限流装置3的给料速度和驱动装置12的配速来控制石墨烯涂层的厚度；驱动装置12可以是连续式的或间歇式的；气氛热还原处理装置9由三段组成，前段是鼓风烘干，中间段是气氛高温热还原，尾段是降温处理。
利用本实施例的涂石墨烯导电集流体的生产设备可以直接生产制备具有两面涂覆石墨烯涂层的石墨烯涂层导电集流体。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
上文中通过一般性说明及具体实施例对本发明作了较为具体和详细的描述。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，显然还可以对这些具体实施例作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，包括喷涂单元，所述喷涂单元包括：
料浆桶(2)，其顶部设有开口；
搅拌器(1)，其设于所述料浆桶(2)顶部外侧、且其搅拌棒自所述料浆桶(2)的顶部开口处伸入所述料浆桶(2)内；
导管(4)，其一端与所述料浆桶(2)底部连通，另一端与静电喷涂针头(7)连通，所述静电喷涂针头(7)设于壳体(6)内部；所述壳体(6)平行于所述静电喷涂针头(7)的喷涂方向、且相对的两个壁上均设有槽口，所述槽口垂直于所述静电喷涂针头(7)的喷涂方向；
推进和限流装置(3)，其用以控制所述导管(4)中的涂料的流速和流量；
干燥装置(8)，其设于所述壳体(6)外部、且靠近一个所述槽口处；
所述生产设备还包括：
气氛热还原处理装置(9)，其设于所述干燥装置(8)外部、且背离所述壳体(6)一侧处；
导轨(11)，其两端各穿过所述壳体(6)上的一个所述槽口，且其两端分别与第一收卷轮(5)和第二收卷轮(13)连接；所述第一收卷轮(5)设于所述壳体(6)外部、且背离所述干燥装置(8)一侧处，所述第二收卷轮(13)设于所述气氛热还原处理装置(9)外部、且背离所述干燥装置(8)一侧处；所述导轨(11)的传送方向为自所述第一收卷轮(5)至所述第二收卷轮(13)；所述导轨(11)穿过所述干燥装置(8)和所述气氛热还原处理装置(9)；
驱动装置(12)，其设于所述气氛热还原处理装置(9)和所述第二收卷轮(13)之间，其用以驱动所述导轨(11)的传送。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，所述喷涂单元有两个，两个所述喷涂单元的喷涂方向相反；两个所述喷涂单元沿所述导轨(11)的传送方向依次设置。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，还包括转向轮(14)，其设于两个所述喷涂单元之间；所述导轨(11)与所述转向轮(14)表面接触。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，还包括多个耐高温钢制导轮(10)，其分别设于所述干燥装置(8)和所述气氛热还原处理装置(9)中；所述耐高温钢制导轮(10)与所述导轨(11)表面接触。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，所述静电喷涂针头(7)由1-12个子针头组成。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，所述壳体(6)中设有鼓风装置与灭火装置。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，静电喷涂时的正极电压为10-30kV。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，所述干燥装置(8)的干燥温度为70-110℃。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，所述气氛热还原处理装置(9)内从左至右依次分为三个温区，位于左右两侧的所述温区的温度均为70-100℃，位于中间的所述温区的温度为300-500℃。
10.根据权利要求9所述的一种石墨烯涂层导电集流体的生产设备，其特征在于，所述气氛热还原处理装置(9)内部通有保护气体，所述保护气体为N2、Ar、CO2中的一种或多种。
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