[发明专利]一种卷绕系统及其使用方法

说明书

本发明公开了一种卷绕系统及其使用方法，该卷绕系统包括：包括惰性环境单元及设于惰性环境单元内的卷绕单元，惰性环境单元包括主体仓、进出料仓及惰性气体存储罐，卷绕单元设于主体仓内，惰性气体存储罐与主体仓连通，主体仓内设有加热容器；卷绕单元包括固定于卷绕基底上的卷绕轴、转动轴、牵引轴；通过加热容器将活性金属熔融为液态，再通过卷绕单元将复合组分通过牵引和提拉经过液态活性金属内后再冷却，形成金属复合材料，经过卷绕得到具有卷绕结构的活性金属复合薄片。利用该卷绕系统得到的活性金属含量高的金属复合薄片，将其应用于金属电池的电极材料时，既能保持金属锂或钠电极的高容量的优点，还能够抑制枝晶生长并控制金属体积膨胀。

技术领域

本发明属于机械加工设备领域，具体涉及一种卷绕系统及其使用方法。

背景技术

近年来随着移动设备、车辆电气化和电网存储、大数据信息传输的快速发展，对高能量密度电池的需求稳步增长。在现有的储能体系中，应用最广泛且能量密度最高的锂离子电池已经难以满足应用的需求。金属电池体系即使用电极电位较负的金属如锂、钠、锌、镁、铝、汞、铁等作负极的电池体系。其中金属锂具有最高的比容量(3860mAh/g)和最低的电化学势(-3.04V)，金属锂电池有望成为下一代高能量密度的电池体系。此外金属钠电池与金属锌电池由于资源丰富也具有非常广阔的应用前景。

但是金属锂、钠、锌用于电池系统中的电极材料时，都存在着同样的问题，即：(1)在反复充放电的过程中，在金属界面位置不均匀沉积形成枝晶，随着枝晶的生长，有可能刺破隔膜形成电池短路导致安全问题。(2)由于金属自身无骨架的结构特点，在充放电的过程中，体积无限膨胀造成电极表面的固体电解质膜(SEI膜)破裂，严重破坏电极的稳定性，导致库伦效率降低，循环寿命衰减。

现有技术中为了解决枝晶生长的问题，通过在金属电极表面沉积氧化物钝化层(Al₂O₃)或者添加功能离子添加剂实现金属均匀沉积从而抑制枝晶的生长。还有研究者提出增强隔膜的机械强度，或者采用固态电解质封装避免枝晶刺穿带来的安全问题。针对金属的体积膨胀问题的解决思路，主要是将金属沉积在多孔三维金属网或者碳材料上，形成金属复合电极，这种方法会降低电极的能量密度，同时制备方法较复杂。如何抑制金属负极枝晶生长同时解决体积膨胀的问题，是金属电池体系亟待解决的问题，对于未来的电化学储能发展具有非常重要的意义。

发明内容

为了克服金属锂、钠和锌作为金属电池的电极材料时，在充放电的过程中出现枝晶生长以及体积膨胀导致电池性能降低甚至安全隐患的问题，本发明提供了一种卷绕系统及其使用方法，以用于制备具有高容量、高倍率和循环稳定性的活性金属复合薄片。

本发明采用如下的技术方案：

一种卷绕系统，包括惰性环境单元及容设于所述惰性环境单元内的卷绕单元，所述惰性环境单元包括主体仓、进出料仓及惰性气体存储罐，所述卷绕单元设于主体仓内，所述惰性气体存储罐通过管路与主体仓连通，所述主体仓内设有用于加热活性金属至熔融状态的加热容器；所述卷绕单元包括分别固定于卷绕基底上的卷绕轴、转动轴、牵引轴。

进一步地，其中所述惰性环境单元还包括用于泵入惰性气体的真空泵，所述真空泵通过管路分别与主体仓与进出料仓连接。

进一步地，其中所述惰性环境单元为下沉式的空间。

进一步地，其中所述主体仓与进出料仓间设有第一仓门，所述进出料仓在与第一仓门相对的一侧设有第二仓门。

进一步地，其中所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于使液态活性金属快速固化的冷却单元，所述冷却单元包括冷却设备；所述冷却设备为冷却设备或风机。

进一步地，其中所述的卷绕系统还包括容设于所述惰性环境单元的主体仓内、用于在活性金属复合材料进行卷绕之前将其进行进一步辊压的紧压辊。