[發明專利]一種卷繞系統及其使用方法

在審

• 申請號: 201910302875.X
• 申請日: 2019-04-16
• 公開（公告）號: CN111826596A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 楊樹斌
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C2/06
• 分類號: C23C2/06;C23C2/04;C23C2/40;C23C2/02;C23C2/26;H01M4/04;H01M4/40
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 李巖

本發明公開了一種卷繞系統及其使用方法，該卷繞系統包括：包括惰性環境單元及設于惰性環境單元內的卷繞單元，惰性環境單元包括主體倉、進出料倉及惰性氣體存儲罐，卷繞單元設于主體倉內，惰性氣體存儲罐與主體倉連通，主體倉內設有加熱容器；卷繞單元包括固定于卷繞基底上的卷繞軸、轉動軸、牽引軸；通過加熱容器將活性金屬熔融為液態，再通過卷繞單元將復合組分通過牽引和提拉經過液態活性金屬內后再冷卻，形成金屬復合材料，經過卷繞得到具有卷繞結構的活性金屬復合薄片。利用該卷繞系統得到的活性金屬含量高的金屬復合薄片，將其應用于金屬電池的電極材料時，既能保持金屬鋰或鈉電極的高容量的優點，還能夠抑制枝晶生長并控制金屬體積膨脹。

技術領域

本發明屬于機械加工設備領域，具體涉及一種卷繞系統及其使用方法。

背景技術

近年來隨著移動設備、車輛電氣化和電網存儲、大數據信息傳輸的快速發展，對高能量密度電池的需求穩步增長。在現有的儲能體系中，應用最廣泛且能量密度最高的鋰離子電池已經難以滿足應用的需求。金屬電池體系即使用電極電位較負的金屬如鋰、鈉、鋅、鎂、鋁、汞、鐵等作負極的電池體系。其中金屬鋰具有最高的比容量(3860mAh/g)和最低的電化學勢(-3.04V)，金屬鋰電池有望成為下一代高能量密度的電池體系。此外金屬鈉電池與金屬鋅電池由于資源豐富也具有非常廣闊的應用前景。

但是金屬鋰、鈉、鋅用于電池系統中的電極材料時，都存在著同樣的問題，即：(1)在反復充放電的過程中，在金屬界面位置不均勻沉積形成枝晶，隨著枝晶的生長，有可能刺破隔膜形成電池短路導致安全問題。(2)由于金屬自身無骨架的結構特點，在充放電的過程中，體積無限膨脹造成電極表面的固體電解質膜(SEI膜)破裂，嚴重破壞電極的穩定性，導致庫倫效率降低，循環壽命衰減。

現有技術中為了解決枝晶生長的問題，通過在金屬電極表面沉積氧化物鈍化層(Al₂O₃)或者添加功能離子添加劑實現金屬均勻沉積從而抑制枝晶的生長。還有研究者提出增強隔膜的機械強度，或者采用固態電解質封裝避免枝晶刺穿帶來的安全問題。針對金屬的體積膨脹問題的解決思路，主要是將金屬沉積在多孔三維金屬網或者碳材料上，形成金屬復合電極，這種方法會降低電極的能量密度，同時制備方法較復雜。如何抑制金屬負極枝晶生長同時解決體積膨脹的問題，是金屬電池體系亟待解決的問題，對于未來的電化學儲能發展具有非常重要的意義。

發明內容

為了克服金屬鋰、鈉和鋅作為金屬電池的電極材料時，在充放電的過程中出現枝晶生長以及體積膨脹導致電池性能降低甚至安全隱患的問題，本發明提供了一種卷繞系統及其使用方法，以用于制備具有高容量、高倍率和循環穩定性的活性金屬復合薄片。

本發明采用如下的技術方案：

一種卷繞系統，包括惰性環境單元及容設于所述惰性環境單元內的卷繞單元，所述惰性環境單元包括主體倉、進出料倉及惰性氣體存儲罐，所述卷繞單元設于主體倉內，所述惰性氣體存儲罐通過管路與主體倉連通，所述主體倉內設有用于加熱活性金屬至熔融狀態的加熱容器；所述卷繞單元包括分別固定于卷繞基底上的卷繞軸、轉動軸、牽引軸。

進一步地，其中所述惰性環境單元還包括用于泵入惰性氣體的真空泵，所述真空泵通過管路分別與主體倉與進出料倉連接。

進一步地，其中所述惰性環境單元為下沉式的空間。

進一步地，其中所述主體倉與進出料倉間設有第一倉門，所述進出料倉在與第一倉門相對的一側設有第二倉門。

進一步地，其中所述的卷繞系統還包括容設于所述惰性環境單元的主體倉內、用于使液態活性金屬快速固化的冷卻單元，所述冷卻單元包括冷卻設備；所述冷卻設備為冷卻設備或風機。

進一步地，其中所述的卷繞系統還包括容設于所述惰性環境單元的主體倉內、用于在活性金屬復合材料進行卷繞之前將其進行進一步輥壓的緊壓輥。