一种倾斜自流延制备超薄锂带/箔的方法及装置与流程

1.本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种倾斜自流延制备超薄锂带/箔的方法及装置。


背景技术：

2.当今，高能量密度金属锂电池急需大量采用超薄金属锂的负极材料。传统制备金属锂带/箔的方法都是基于采用机械挤出法或辊压法，这些方法都是利用金属锂的延展性来实现金属锂厚度的控制，但制品的厚度多大于100μm。对于厚度小于100μm的薄金属锂带/箔材，甚至要求厚度小于10μm时，机械挤出法基本是无能为力了，而采用辊压的方法容易出现粘辊现象，且超薄锂还易发生断裂等问题，大面积均匀性及连续性难以保证，导致现阶段超薄锂带的制备成品率低、价格昂贵，难以满足实际应用的需要。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术，本发明提供一种倾斜自流延制备超薄锂带/箔的方法及装置，以解决现阶段超薄锂带的制备方法容易出现粘辊现象、成品率低、价格昂贵，难以满足实际应用的需要的问题。
4.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种倾斜自流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以下步骤：
5.(1)熔融金属锂：加热固态金属锂至熔融状态，得熔融锂液；
6.(2)预热金属衬底：加热待流延区域的衬底，使其与熔融锂液的温度相当；
7.(3)流延熔融锂：将熔融锂液转移至匀速运动、倾斜放置的衬底上，发生自流延，同时衬底沿自下而上的方向运动，并连续匀速添加熔融锂液得到表面粘附有超薄熔融锂层的衬底；
8.(4)冷却收集：将粘附有超薄熔融锂液的衬底冷却至室温，即得固态超薄锂带/箔。
9.高温熔融条件下的金属锂呈现液态，具有较好的流动性和一定粘度。将熔融锂液转移至匀速运动、倾斜放置的衬底上，熔融锂液的自身重力与粘附力共同作用的效果是导致熔融液态锂有向下流淌铺展的趋势，发生自流延。由于熔融锂液是粘性流体，紧邻衬底表面的锂液粘附在衬底之上，流速为零，随着离衬底的距离增加，流速快速增加至极值，流速沿垂直于衬底的方向呈现梯度分布。同时，传送装置带动衬底沿自下而上的方向运转，并连续添加锂液保持衬底上锂液量的恒定，导致在熔融锂液所流淌过的区域有一层超薄熔融液态锂均匀的粘附在衬底之上，且表面呈现光滑平整的状态。粘附有超薄熔融锂层的衬底继续向上运转并经过冷却区，被冷却至室温，凝固得到超薄锂带/箔。
10.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
11.进一步，对步骤(4)所得超薄锂带/箔涂覆防粘防水保护层，再经卷曲后收集。
12.进一步，衬底为铜箔、镍箔、钛箔、铝箔、不锈钢箔、聚酰亚胺膜、碳布或碳毡。
13.进一步，熔融锂液及待流延区域的衬底的温度为200～800℃。
14.进一步，步骤(3)中衬底的倾斜角度为10～170
°
。
15.进一步，步骤(4)所得超薄锂带/箔的厚度为5～100μm。
16.本发明还提供了一种用于上述倾斜自流延制备超薄锂带/箔的装置，包括依次设置的衬底辊、流延加热保温平台、冷却平台、防粘防水保护层涂覆设备和成品收集辊；流延加热保温平台与衬底辊之间设置有下张紧设备，流延加热保温平台与防粘防水保护层涂覆设备之间设置有上张紧设备，流延加热保温平台上方设置有加热釜，加热釜下端设置有出料口，流延加热保温平台倾斜设置。
17.衬底通过衬底辊送至下张紧设备再送至流延加热保温平台上，高温熔融锂液由加热釜添加至流延加热保温平台上的衬底上时，由于衬底及流延加热保温平台均倾斜，熔融锂液由于自身重力沿衬底方向(切向)的分量大于粘附力沿切向的分量，诱使锂液向下流动铺展，导致锂液发生整体移动，重心下移。在此过程中，由于粘附力在垂直衬底方向的分量(法向)的作用，导致熔融锂液的流动速度沿法向方向出现梯度分布，直接接触衬底表面的熔融锂液流速为零，远离衬底表面的部分流速高。鉴于流速差的存在，从而导致在液态锂流过的区域，出现了液态锂的薄层。此时，补充被粘附在衬底表面的液态锂的量，维持液态锂的重量恒定，就可以保证自流延现象持续发生，导致液态锂膜均匀、大面积的形成，且表面平整度高。由于衬底向上运动，将迅速进入冷却平台，将液态锂凝固下来，再在上张紧装置的作用下进入防粘防水保护层涂覆设备进行保护层涂覆后，经过成品收集辊的作用即可获得固态超薄锂带/箔。
18.增大衬底及加热保温平台的倾斜角，将导致熔融锂液获得更大的向下流淌的合力，导致流速更快，沿法向的速度梯度更大，从而获得更薄的液态锂层及凝固后更薄的金属锂层。显然，改变熔融锂液温度、流延区温度、衬底种类、衬底及加热保温平台倾斜角、衬底移动速度、锂液添加速度、流延区与冷却区的距离、衬底冷却速度等参数，可调整锂膜的厚度、表面状态及与衬底的结合状态。
19.进一步，流延加热保温平台倾斜10～170
°
设置。
20.通过调整加热保温平台倾斜角调整液态锂层及凝固后的金属锂层的厚度。
21.本发明的有益效果是：
22.1、本发明采用倾斜自流延法制备超薄金属锂带/箔，利用衬底倾斜角度、流延温度等方法控制膜厚，避免了常规流延法需要采用狭缝等机械电子方法控制膜的厚度及均匀性，大幅减少了人工因素的干扰，制备方法简单高效，便于放大，实现连续性生产。
23.2、本发明能够得到表面平整、厚度均一、大面积且连续的超薄锂带/箔，通过改变制备参数条件，可在5～100μm范围内调控超薄锂层厚度。
24.3、本发明利用液态金属锂的重力和粘度特性来制备超薄锂，利用高温液态锂的流动性及可控性，实现了在液态状态下调控锂的厚度，取代了传统辊压、挤压等方法在固态状态下逐步减薄的思路，避免了固态法制备超薄锂带所遇到的困难。
附图说明
25.图1为本发明的装置示意图；
26.图2为本发明的液态金属锂在不同倾斜角度衬底上的受力状态及锂膜厚度的示意图；
27.其中，1、衬底辊，2、下张紧装置，3、流延加热保温平台，4、加热釜，5、出料口，6、冷却平台，7、上张紧装置，8、防粘防水保护层涂覆装置，9、成品收集辊。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
29.本发明提供了一种用于倾斜自流延制备超薄锂带/箔的装置，如图2所示，包括依次设置的衬底辊1、流延加热保温平台3、冷却平台6、防粘防水保护层涂覆设备8和成品收集辊9。衬底辊1用于对衬底进行加工，流延加热保温平台3用于在衬底上制作超薄锂层，并保持反应温度，冷却平台6用于将超薄锂层进行冷却凝固，防粘防水保护层涂覆设备8用于在超薄锂层上涂覆防粘防水保护层，成品收集辊9用于对成品进行加工。
30.流延加热保温平台3与衬底辊1之间设置有下张紧设备2，流延加热保温平台3与防粘防水保护层涂覆设备8之间设置有上张紧设备7，流延加热保温平台3上方设置有加热釜4，加热釜4内设置有电阻丝进行加热，加热釜4下端设置有出料口5。下张紧设备2和上张紧设备7为螺旋拉紧设备、重力拉紧设备，用于使衬底进行匀速向上运动。加热釜4用于对超薄锂加热。
31.流延加热保温平台3倾斜10～170
°
设置，流延加热保温平台3通过电阻丝进行加热。
32.实施例1
33.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
34.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至200℃；
35.(2)将聚酰亚胺膜衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在200℃，冷却平台6温度保持在25℃，衬底倾斜角度θ调节至80
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以1cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
36.(3)出料口5以30mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为50μm的固态超薄金属锂带；
37.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
38.实施例2
39.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
40.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至300℃；
41.(2)将铜箔衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在300℃，冷却平台6温度保持在30℃，衬底倾斜角度θ调节至30
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以5cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
42.(3)出料口5以300mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为100μm的固态超薄金属锂带；
43.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
44.实施例3
45.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
46.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至600℃；
47.(2)将镍箔衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在600℃，冷却平台6温度保持在25℃，衬底倾斜角度θ调节至45
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以50cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
48.(3)出料口5以54mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为20μm的固态超薄金属锂带；
49.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
50.实施例4
51.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
52.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至800℃；
53.(2)将不锈钢箔衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在800℃，冷却平台6温度保持在15℃，衬底倾斜角度θ调节至95
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以60cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
54.(3)出料口5以160mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为5μm的固态超薄金属锂带；
55.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
56.实施例5
57.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
58.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至400℃；
59.(2)将钛箔衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在400℃，冷却平台6温度保持在20℃，衬底倾斜角度θ调节至120
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以10cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
60.(3)出料口5以180mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为33μm的固态超薄金属锂带；
61.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
62.实施例6
63.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
64.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至250℃；
65.(2)将铝箔衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在250℃，冷却平台6温度保持在15℃，衬底倾斜角度θ调节至160
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以3cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
66.(3)出料口5以140mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为85μm的固态超薄金属锂带；
67.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
68.实施例7
69.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
70.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至500℃；
71.(2)将碳布衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在500℃，冷却平台6温度保持在20℃，衬底倾斜角度θ调节至170
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以5cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
72.(3)出料口5以70mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为25μm的固态超薄金属锂带；
73.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
74.实施例8
75.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
76.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至380℃；
77.(2)将碳毡衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在380℃，冷却平台6温度保持在15℃，衬底倾斜角度θ调节至145
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以4cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
78.(3)出料口5以83mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为38μm的固态超薄金属锂带；
79.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
80.实施例9
81.一种倾斜流延制备超薄锂带/箔的制备方法，包括以步骤：
82.(1)将金属锂锭放置于加热釜4中，温度升高至540℃；
83.(2)将不锈钢衬底安装到设备上，流延加热保温平台3温度保持在540℃，冷却平台6温度保持在15℃，衬底倾斜角度θ调节至10
°
；衬底辊1、下张紧设备2、上张紧设备7、成品收集辊9以13cm/s速度开始运转，带动衬底向上运动；
84.(3)出料口5以450mg/s的速度滴加液态熔融锂于衬底上，并向下流淌，粘有超薄熔融锂层的衬底向上运动后经过冷却平台6，得到厚度为64μm的固态超薄金属锂带；
85.(4)固态超薄金属锂带再经过防粘防水保护层涂覆设备8进行表面处理后，由成品收集辊9卷曲收集。
86.虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。