專利名稱：基于激光沖擊波技術(shù)清洗鋰離子電池電極的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)和再制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光沖擊波技術(shù)清洗鋰離子電池電極的裝置。
背景技術(shù)：
電動(dòng)汽車作為新一代節(jié)能環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，并且電動(dòng)汽車在全世界范圍內(nèi)逐步推廣使用。然而，電動(dòng)汽車所使用的鋰離子電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是限制電動(dòng)汽車普及的主要瓶頸。目前，動(dòng)力電池的成本占到了電動(dòng)汽車總成本的三分之一，而且動(dòng)力電池的使用壽命不長，一般充放電1000次左右，這些都嚴(yán)重制約著電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及。如何延長鋰離子電池的使用壽命和降低其生產(chǎn)成本已成為各國科研工作者的主要競爭領(lǐng)域。近年來，隨著自然資源的巨大消耗和人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)和再制造技術(shù)取得了飛速發(fā)展。對車用鋰離子電極的再制造可極大地降低電池的生產(chǎn)成本和延長電池的使用壽命。車用鋰離子電池的失效形式是電池容量衰減，其主要原因是，在鋰離子電池中，除了鋰離子脫嵌時(shí)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)外，還存在著大量的副反應(yīng)導(dǎo)致電容量衰減，如電解液分解、活性物質(zhì)溶解、電極表面沉積物等。由于上述反應(yīng)的存在，電池在經(jīng)過多次充放電以及過度充電的情況下，會(huì)在電極表面形成一層沉積物，即固體電解質(zhì)界面層(Solid Electrolyte Interface, SEI)。然而,鋰離子電池在實(shí)際多次充放電循環(huán)使用過程中SEI層將會(huì)繼續(xù)生長，富集的SEI層具有高電阻率，嚴(yán)重阻礙了 Li+的遷移，而且富集程度越高，影響程度越大。同時(shí)產(chǎn)生的高阻抗物質(zhì)會(huì)使石墨顆粒之間絕緣隔離，隨著在高溫條件下不斷充放電，電極界面阻抗以及活性物質(zhì)與導(dǎo)電物質(zhì)間的絕緣隔離，不斷導(dǎo)致電極性能惡化，最后導(dǎo)致鋰離子電池容量衰減功率衰退而失效。要實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的循環(huán)使用，則必須要采取合適的方法去除電極表面的SEI層。目前常用清洗電極的方法主要有機(jī)械擦洗、化學(xué)清洗、電化學(xué)清洗、激光輻照清洗等。機(jī)械擦洗是使用刀具或其它的機(jī)械裝置對電極進(jìn)行清洗，通常通過人工手持刀具刮削去除SEI層；或者通過機(jī)械手使刀具按照特定的路線對電極表面進(jìn)行刮削去除SEI層。機(jī)械擦洗法所使用的裝置簡單，操作過程簡便，但對工人的技術(shù)要求高。特別是對超薄電極片、較軟的電極片和小尺寸的電極的清洗，機(jī)械擦洗的裝置根本無法實(shí)現(xiàn)，其過程中會(huì)出現(xiàn)電極基體損傷、電極折斷等破壞現(xiàn)象?；瘜W(xué)清洗是根據(jù)SEI層的化學(xué)成分，選擇合適的化學(xué)試劑注入清洗槽中，將要清洗的電極放在清洗槽中放置一段時(shí)間，使化學(xué)試劑和SEI層充分反應(yīng)，使SEI層軟化、溶解、脫落，再用水將電極沖洗干凈。該方法在除去SEI層過程中，由于化學(xué)試劑劑量難以精確控制，SEI層的厚薄不均勻，化學(xué)試劑對SEI層作用的同時(shí)，會(huì)對電極基體有一定的損傷或腐蝕，而且SEI層的成分十分復(fù)雜，這要求用多種化學(xué)試劑對電極進(jìn)行處理，導(dǎo)致化學(xué)清洗工藝十分復(fù)雜，容易對工人的健康產(chǎn)生危害和對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，操作安全性不高。其裝置非常簡單，就一個(gè)清洗槽，整個(gè)清洗過程均在清洗槽中完成，在清洗過程中隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，清洗劑會(huì)不斷的消耗，會(huì)導(dǎo)致部分SEI層不能完全溶解，清洗效果不佳。同時(shí)，溶解的SEI層不能及時(shí)地排出。電化學(xué)清洗是利用專用試劑電解后的強(qiáng)氧化性質(zhì)，通過腐蝕、氧化和清洗相結(jié)合，來去除電極表面SEI層，再用水將電極沖洗干凈。該方法在除去SEI層過程中，由于難以精確控制通電時(shí)間，SEI層厚薄不均勻，電解后的強(qiáng)氧化物質(zhì)對SEI層作用的同時(shí)，會(huì)對電極基體有一定的破壞作用。整個(gè)電解過程在電解槽中進(jìn)行，也會(huì)導(dǎo)致部分SEI層不能完全溶解，清洗效果不佳和溶解或氧化的SEI層不能及時(shí)地排出，同時(shí)，電化學(xué)清洗的操作安全性不好，強(qiáng)氧化性物質(zhì)嚴(yán)重威脅著工人的健康，對環(huán)境的污染也十分嚴(yán)重。激光輻照清洗是利用高能的激光束通過一個(gè)光學(xué)窗口對鋰離子電池電極表面進(jìn)行輻照，以去除其表面的SEI層，達(dá)到電極表面清洗的目的。該方法所使用裝置簡單，可根據(jù)SEI層的厚薄來精確控制優(yōu)化各項(xiàng)激光參數(shù)，從而達(dá)到無損地除去SEI層的目的，但在實(shí)際操作中，由于SEI層的厚度很難精確測定，加之激光處理過程中的力、熱、化學(xué)、光化學(xué)等場的耦合作用，很難對激光參數(shù)進(jìn)行精確控制，往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱燒傷，使電極片直接報(bào)廢。同時(shí)，裝置簡單沒有防護(hù)措施，SEI層燒蝕后直接排放到空氣中，嚴(yán)重威脅著工作人員的健康和污染環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于激光沖擊波技術(shù)清洗電動(dòng)汽車鋰離子電池電極的裝置，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車鋰離子電池電極的無損清洗，同時(shí)，解決對超薄電極片、較軟的電極片和小尺寸的電極進(jìn)行清洗的難題。本發(fā)明的技術(shù)方案是:所提供的一種基于激光沖擊波技術(shù)清洗電動(dòng)汽車鋰離子電池電極的裝置包括激光發(fā)生器1、導(dǎo)光系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管2、全反鏡4、沖擊頭5,導(dǎo)光管2始端連著激光發(fā)生器1、導(dǎo)光管2依次把全反鏡4和沖擊頭5連接起來，導(dǎo)光管2的終端對著工件裝夾系統(tǒng)；工件裝夾系統(tǒng)包括噴氣嘴6、矩形夾具裝置7、鋰離子電池電極8、SEI層9、氬氣10、能量吸收層11、矩形管件夾持器12、矩形反射座14、工作臺(tái)15、污垢收集箱16、導(dǎo)向支架17，噴氣嘴6固定在沖擊頭5的一側(cè)位于矩形夾具裝置7上方，矩形反射座14插入夾持有電池電極8的矩形夾具裝置7的內(nèi)部，所述矩形反射座14的長寬均要小于矩形夾具裝置7的長寬，矩形反射座14和裝有鋰離子電池電極8的矩形夾具裝置7之間留有2 3_間隙，矩形反射座14端部涂有黑漆作為能量吸收層11，氬氣10充滿整個(gè)矩形夾具裝置7，矩形反射座14的下端固定在污垢收集箱16的底部，污垢收集箱16放置在工作臺(tái)15上，矩形夾具裝置7通過矩形管件夾持器12裝夾在導(dǎo)向支架17上，導(dǎo)向支架17固定在工作臺(tái)15上；控制系統(tǒng)包括控制器18和計(jì)算機(jī)19，計(jì)算機(jī)19通過控制器18控制矩形管件夾持器12和工作臺(tái)15的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)19通過控制器18控制激光發(fā)生器I發(fā)出的激光脈沖束3。本發(fā)明的實(shí)施過程如下:1、裝有鋰離子電池電極的矩形夾具裝置裝夾在矩形管件夾持器上，矩形管件夾持器裝夾在導(dǎo)向支架上，導(dǎo)向支架固定在工作臺(tái)上；2、將端部涂有黑漆吸收層作為能量吸收層的矩形反射座插入到帶有鋰離子電池電極的矩形夾具裝置中，并調(diào)節(jié)矩形反射座端部與矩形夾具裝置的相對位置；3、向裝有鋰離子電池電極的矩形夾具裝置中通入氬氣，并根據(jù)脫落的SEI層的大小來調(diào)節(jié)通入氬氣的流速；4、激光器發(fā)出優(yōu)化過激光脈沖束，經(jīng)過導(dǎo)光系統(tǒng)輻照在能量吸收層上，產(chǎn)生的高壓沖擊波作用在SEI層上，使SEI層破裂、剝落，脫落的SEI層在氬氣推動(dòng)下，落入污垢收集箱中；5、改變激光脈沖束與矩形反射座間的相對位置和矩形反射座與矩形夾具裝置間的相對位置，在新位置上實(shí)行激光沖擊波沖擊，從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋰離子電池電極表面的完全清洗；6、關(guān)閉激光器和氣閥，取出洗凈的鋰離子電池電極。本發(fā)明的效果和益處是:由于激光脈沖參數(shù)受控可調(diào)，脈沖能量可精確控制，因而激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力精確可控，其最大值可達(dá)幾十個(gè)GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 SEI層的斷裂極限，通過選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)使SEI層從鋰離子電池電極表面剝落且對基體不產(chǎn)生任何損傷。氬氣作為保護(hù)氣，既阻止了鋰離子電池電極的氧化，又增加了峰值壓力，延長了沖擊波的作用時(shí)間，同時(shí)帶走沖擊剝落后的SEI層。激光脈沖束不直接照射在SEI層上而是照射在矩形反射座端部的能量吸收層上，誘導(dǎo)激光沖擊波除去SEI層，不會(huì)對鋰離子電池電極的表面產(chǎn)生機(jī)械損傷，避免了激光的熱效應(yīng)對電極表面的燒傷，這些都會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池電極的報(bào)廢，在除SEI層的同時(shí)，也對鋰離子電池電極進(jìn)行了表面改性，提高了再制造電池的使用壽命和能量密度。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，由于采用了矩形夾具裝置，實(shí)現(xiàn)對超薄電極片、較軟的電極片和小尺寸的電極進(jìn)行清洗，同時(shí)作用時(shí)間短，去除SEI層的效率高，不需要使用任何化學(xué)試劑，是一種節(jié)能環(huán)保無污染的新技術(shù)。


附圖1是基于激光沖擊波技術(shù)清洗鋰離子電池電極的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是基于激光沖擊波技術(shù)清洗鋰離子電池電極的裝置中矩形夾具裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1激光發(fā)生器；2導(dǎo)光管；3激光脈沖束；4全反鏡；5沖擊頭；6噴氣嘴；7矩形夾具裝置；8鋰離子電池電極；9SEI層；10氬氣；11能量吸收層；12矩形管件夾持器；13高壓等離子體；14矩形反射座；15工作臺(tái)；16污垢收集箱:17導(dǎo)向支架；18控制器；19計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明裝置主要包括激光發(fā)生器1、導(dǎo)光系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管2、全反鏡4和沖擊頭5 ;工件裝夾系統(tǒng)包括噴氣嘴6、矩形夾具裝置7、鋰離子電池電極8、SEI層9、氬氣10、能量吸收層11、矩形管件夾持器12、矩形反射座14、工作臺(tái)15、污垢收集箱16和導(dǎo)向支架17 ;控制系統(tǒng)包括控制器18和計(jì)算機(jī)19。由激光發(fā)生器I發(fā)出經(jīng)優(yōu)化的激光脈沖束3，激光脈沖束3的參數(shù)由電池電極的強(qiáng)度、SEI層的厚度和成分以及前后兩片鋰離子電池電極間的距離等因素共同決定。激光脈沖束3的模式可以是基模、多模等模式，由控制器18來控制。由激光發(fā)生器I產(chǎn)生的激光脈沖束3經(jīng)導(dǎo)光管2、全反鏡4、沖擊頭5和氬氣10，輻照在矩形發(fā)射座14端部的能量吸收層11上。沖擊頭5內(nèi)有聚焦鏡，可以通過工作臺(tái)15在豎直方向上的移動(dòng)，調(diào)節(jié)激光光斑尺寸的大小。矩形夾具裝置7用矩形管件夾持器12固定在導(dǎo)向支架17上，矩形管件夾持器12的位置受控制器18的控制，能沿導(dǎo)向支架17上下移動(dòng)，來改變鋰離子電池電極8與矩形反射座14間的相對位置，導(dǎo)向支架17固定在工作臺(tái)15上，矩形反射座14固定在污垢收集箱16的底部。工作臺(tái)15可以實(shí)現(xiàn)沿三個(gè)軸向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池電極8整個(gè)表面的完全清洗。激光脈沖束3輻照在矩形反射座14端部的能量吸收層11上，能量吸收層11吸收了激光脈沖束3的能量后，迅速氣化、電離，形成高壓等離子體13，高壓等離子體13瞬間膨脹，產(chǎn)生高壓沖擊波，形成向SEI層9內(nèi)部傳播的應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波的強(qiáng)度超過SEI層9的斷裂極限時(shí)，SEI層9會(huì)斷裂，并在拉應(yīng)力的作用下，從鋰離子電池電極8表面剝落下來。通過改變矩形夾具裝置7與矩形反射座14間的相對位置，可實(shí)現(xiàn)鋰離子電池電極8的縱向清洗；通過工作臺(tái)15的橫向移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池電極8的橫向清洗。在工作臺(tái)15和導(dǎo)向支架17的配合使用下，可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池電極8的整個(gè)表面的完全清洗，根據(jù)不同干凈程度，可對鋰離子電池電極8進(jìn)行多次清洗，以獲得所需的潔凈程度。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊波技術(shù)清洗鋰離子電池電極的裝置，該裝置包括激光發(fā)生器(I)、導(dǎo)光系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征是導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管(2)、全反鏡(4)、沖擊頭(5)，導(dǎo)光管(2)始端連著激光發(fā)生器(I)、導(dǎo)光管(2)依次把全反鏡(4)和沖擊頭(5)連接起來，導(dǎo)光管(2)的終端對著工件裝夾系統(tǒng)；工件裝夾系統(tǒng)包括噴氣嘴(6)、矩形夾具裝置(7)、鋰離子電池電極(8)、SEI層(9)、氬氣(10)、能量吸收層(11)、矩形管件夾持器(12)、矩形反射座(14)、工作臺(tái)(15)、污垢收集箱(16)、導(dǎo)向支架(17)，噴氣嘴(6)固定在沖擊頭(5)的一側(cè)位于矩形夾具裝置(7)上方，矩形反射座(14)插入夾持有鋰離子電池電極(8)的矩形夾具裝置(7)的內(nèi)部，所述矩形反射座(14)的長寬均要小于矩形夾具裝置(7)的長寬，矩形反射座(14)和裝有鋰離子電池電極(8)的矩形夾具裝置(7)之間留有疒3_間隙，矩形反射座(14)端部涂有黑漆作為能量吸收層(11 )，氬氣(10)充滿整個(gè)矩形夾具裝置(7)，矩形反射座(14)的下端固定在污垢收集箱(16)的底部，污垢收集箱(16)放置在工作臺(tái)(15)上，矩形夾具裝置(7)通過矩形管件夾持器(12)裝夾在導(dǎo)向支架(17)上，導(dǎo)向支架(17)固定在工作臺(tái)(15)上；控制系統(tǒng)包括控制器(18)和計(jì)算機(jī)(19)，計(jì)算機(jī)(19)通過控制器(18)控制矩形管件夾持器(12)和工作臺(tái)(15)的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)(19)通過控制器(18)控制激光發(fā)生器(I)發(fā)出的激光脈沖束(3)。
全文摘要
一種基于激光沖擊波技術(shù)清洗鋰離子電池電極的裝置，屬于激光加工技術(shù)和再制造技術(shù)領(lǐng)域。其特征是能量吸收層涂覆在矩形反射座的端部，優(yōu)化過的激光脈沖經(jīng)過光導(dǎo)管和氬氣層輻照在能量吸收層上，能量吸收層吸收激光能量后氣化、電離，產(chǎn)生高壓等離子體，高壓等離子體瞬間膨脹產(chǎn)生沖擊波，沖擊波迅速向SEI層內(nèi)傳播，產(chǎn)生應(yīng)力波，使SEI層發(fā)生斷裂并剝離鋰離子電池電極表面，脫落的SEI層在氬氣的推動(dòng)下排出。本發(fā)明效果和益處是采用激光誘導(dǎo)沖擊波來對電極清洗，避免激光對電極熱損傷效應(yīng)，不會(huì)對鋰離子電池電極產(chǎn)生任何機(jī)械損傷。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、清洗鋰離子電池電極需要的時(shí)間短，效率高，無污染，節(jié)能環(huán)保，是一種綠色的鋰離子電池電極清洗的裝置。
文檔編號(hào)B23K26/36GK103203550SQ20131008671
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者章恒, 劉偉嵬, 李濤, 劉淑杰, 張?jiān)? 李延增, 陳俊超, 胡婭維, 董亞洲, 張彬, 孔露露, 胡恒, 王芬芬, 歐雪峰, 李明政, 于靜, 張洪潮 申請人:大連理工大學(xué)