專利名稱：一種電極芯干燥裝置及干燥方法
技術領域：
本發(fā)明屬于干燥技術領域，特別是涉及一種電池和超級電容器的電極芯干燥裝置及干燥方法。
背景技術：
在電化學儲能器件如超級電容器和電池的制作過程中，電極材料中的水分含量對產(chǎn)品的性能有著重要的影響，所以一般在注液前需要對電極芯進行干燥處理，除去電極制備過程中引入的水分和電極芯制作過程中從空氣吸收的水分。對于后者，水分子只是物理吸附在電極材料表面，較容易除去，而對于前者，部分水分是封裝在電極材料中的，與電極材料形成化學吸附，因此要除去水分子需要更高的能量，對生產(chǎn)過程帶來麻煩。針對這一問題，通常做法是一方面提高電極材料的溫度，以提高水分子的動能，使水分子掙脫電極材料的吸附，另一方面，盡量降低電極材料表面壓力，并且不斷抽走從電極材料中逸出的水分子，達到干燥效果，這就是所謂的真空干燥，具體步驟如下:1、預熱:把未注液的電化學儲能器件批量放入真空烘箱，開始對烘箱加熱并抽真空；2、真空干燥:當烘箱內(nèi)溫度和壓力達到工藝要求的數(shù)值，保持烘箱內(nèi)溫度恒定，并持續(xù)抽真空保持烘箱內(nèi)真空度，同時開始計時；3、冷卻:真空干燥完成后，烘箱內(nèi)充入惰性氣體或其它保護氣，恢復常壓，靜置冷卻；4、轉移:當烘箱內(nèi)溫度接近常溫的時候，把電極芯拿出烘箱，快速轉移到注液操作箱的過渡艙進行抽真空充惰性氣體操作，然后送入手套箱，為控制電極芯曝露在空氣中的吸水量，要求操作在數(shù)秒內(nèi)完成；該操作方法存在以下問題:1、烘箱內(nèi)部處于高真空狀態(tài)，沒有傳熱介質(zhì)，電極芯預熱時間長達0.5-1.5小時，嚴重影響了生產(chǎn)效率；冷卻階段烘箱內(nèi)熱量的散失主要是通過惰性氣體的熱傳導方式傳遞給烘箱然后再散發(fā)到環(huán)境中，由于惰性氣體的導熱系數(shù)通常很小，因此這一過程非常漫長。眾所周知，熱量的傳遞有三種方式，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導的本質(zhì)是動能有差異的分子間相互碰撞時高速分子速度降低，低速分子速度升高的一種能量傳遞方式，固體中主要以此種方式傳熱，以一維熱傳導為例:Q=KXAX A T/AL，其中Q為傳熱速率，K為導熱系數(shù)，A為有效接觸面積，AT溫差，AL為傳熱距離。熱對流則是在熱傳導的基礎上大幅度提高高低溫分子的接觸面積，進而大幅度提高高低溫分子碰撞的概率和能量傳遞效率，在液體和氣體中主要是此種傳熱方式；Q=HXAX AT，其中，Q為傳熱速率，H為熱對流系數(shù)，A為有效接觸面積，A T為溫差。熱輻射則是不通過導熱介質(zhì)，分子或者原子輻射出電磁波，把能量傳遞出去。熱輻射公式較為復雜，傳熱能力不僅與溫差以及有效面積有關，還與受體表面光潔度以及電磁波入射角度有關。2、傳統(tǒng)的真空干燥工藝采用批量干燥，烘箱內(nèi)主要通過熱輻射傳遞熱能，由于電極芯表面的差異性，以及熱輻射角度的固定，電極芯內(nèi)部以及電極芯與電極芯之間溫度差異很大，會造成電極材料結構的局部破壞。3、由于電化學儲能器件電極芯材料多為多孔材料，部分水分被吸附在多孔電極材料內(nèi)部，水分子從電極材料逃逸的勢壘很高，因此需要提供很高的能量，而傳統(tǒng)真空干燥工藝抽真空加熱提供的“靜態(tài)”能量很難滿足快速干燥的要求。4、在轉移階段，電極芯有長達IOs以上的時間曝露在空氣中，由于空氣中有水分，而電極材料為疏松多孔結構，極易吸收水分，所以需要控制環(huán)境中的水分含量，空氣濕度要控制在30%甚至20%以下，這大大增加了生產(chǎn)成本。另外，由于要在數(shù)秒的時間內(nèi)完成轉移，對操作員工的操作要求極為苛刻，一方面，這會埋下安全隱患，另一方面不利于生產(chǎn)過程的有效控制，增加了系統(tǒng)的不確定因素。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述電化學儲能器件電池、超級電容器等電極芯真空干燥工藝存在的缺陷，從干燥的本質(zhì)出發(fā)，提出了一種高效干燥方法和干燥裝置，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的穩(wěn)定性，同時降低了生產(chǎn)成本。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案:一種電極芯干燥裝置，其特征在于:該裝置包括烘箱箱體、加熱裝置、冷卻裝置、托盤、托盤水平移動裝置和托盤升降旋轉裝置；所述烘箱箱體為密封箱體，其上設置有惰性氣體進氣口和真空抽氣口 ；所述加熱裝置設置在所述烘箱箱體內(nèi)側壁，所述冷卻裝置設置在所述加熱裝置處；所述托盤水平移動裝置驅(qū)動所述托盤進出所述烘箱箱體；所述托盤升降旋轉裝置用于升高所述托盤驅(qū)動托盤旋轉。其進一步特征在于:所述托盤水平移動裝置包括平行設置在所述托盤底部的齒條，所述齒條與由托盤水平驅(qū)動電機驅(qū)動的驅(qū)動齒輪相嚙合；所述托盤升降旋轉裝置包括設置在所述托盤底部的凹槽和由垂直驅(qū)動電機驅(qū)動的伸縮軸，用于將所述托盤托起后旋轉。進一步的:所述烘箱箱體箱門處設置有法蘭用于與注液箱連接形成對接艙。進一步的:所述烘箱箱體上還設置有強制對流風機、熱電偶、PLC控制器和由氣缸控制的自動箱門；所述PLC控制器用于檢測和控制烘箱箱體內(nèi)的溫度、真空度以及指導烘箱按照預定工藝進行工作。一種電極芯干燥方法其特征在于，所述干燥方法的操作步驟為:(I)電極芯放入干燥裝置內(nèi)托盤上，關閉箱門，抽真空至設定壓力值PO，PO小于2000Pa ；(2)通入惰性氣體至設定壓力Pl并打開強制對流風機，Pl大于0.1MPa ；(3)開始加熱，與此同時，干燥裝置箱體底部的垂直驅(qū)動電機傳動軸伸出撐起托盤開始旋轉；(4)當烘箱內(nèi)溫度上升到T0，關閉風機并開始抽真空操作，TO大于100攝氏度；
(5)當烘箱內(nèi)壓力達到設定的壓力值PO時，此時烘箱內(nèi)溫度為Tl，持續(xù)加熱至溫度到設定值TO ；(6 )重復步驟2至步驟5操作數(shù)次；(7)保持壓力PO和溫度TO的狀態(tài)下持續(xù)時間t，t大于20分鐘；(8)停止加熱并強制冷卻加熱裝置；(9)充入惰性氣體至設定壓力P2，強制對流冷卻烘箱內(nèi)電極芯，P2大于0.1MPa ；(10)關閉風機并開始抽真空操作至壓力PO ；(11)重復步驟9至步驟10操作數(shù)次，直至溫度降至設定溫度值T3，T3小于50攝氏度；(12)干燥完成，對烘箱補充惰性氣體至微正壓，此時垂直驅(qū)動電機在固定角度停止轉動，并且縮回傳動軸，托盤底部與驅(qū)動齒輪咬合，滑輪落在導軌上；( 13)把干燥裝置與注液箱對接，通過真空-補惰性氣體-真空-補惰性氣體操作排出對接艙內(nèi)的水分和氧氣；( 14)打開干燥裝置自動門和注液箱自動門，在水平驅(qū)動電機的帶動下，托盤移動到注液箱，關閉干燥裝置自動門和注液箱自動門。所述惰性氣體為水汽含量在IPPm以下純度達到99.999%的惰性氣體。本發(fā)明裝置和方法具有下述優(yōu)點:1、加熱過程有惰性氣體充當導熱介質(zhì)，加熱速度快；2、電極芯在烘箱內(nèi)旋轉加熱，且傳熱介質(zhì)保持強制對流狀態(tài)，提高了溫度的均勻性，為加熱溫度計算提供更可靠的數(shù)據(jù)；3、通過真空和補氣操作，在電極材料表面制造變化的壓力和溫度環(huán)境，更有利于水分的逸出，在一定程度上降低電極芯干燥溫度，提高產(chǎn)品品質(zhì)；4、電極芯冷卻過程中，采用惰性氣體冷卻和加熱板的強制水冷，大大縮短了冷卻時間；5、真空干燥程序完全自動控制，干燥系統(tǒng)可移動，電極芯干燥完畢直接通過烘箱法蘭接口與注液箱對接，避免電極芯二次吸水。
圖1為Langmuir吸附等溫線；圖2為本發(fā)明干燥裝置主視圖；圖3為本發(fā)明干燥裝置側視圖；圖4為本發(fā)明干燥裝置托盤俯視圖；圖5為本發(fā)明實施例干燥程序壓力和溫度曲線.
具體實施例方式基于吸附理論、傳熱學和分子動力學，本發(fā)明提出了一種高效干燥方法和干燥裝置，尤其適用于電化學儲能裝置電極芯的干燥工藝。由于電化學儲能器件電極芯材料多為多孔材料，根據(jù)吸附理論，多孔材料對水分子的吸附可以用I型等溫線=Langmuir等溫線來描述。a PO =- (、I )
I+ aP公式(I)中，0是表面覆蓋范圍分數(shù)，P是氣體壓力或濃度，a為吸附常數(shù)；由圖1可以看出，在一定溫度下，吸附率隨著壓力的增大而變大，尤其在壓力很小即高真空狀態(tài)，吸附率和壓力近似成正比例關系。所以，應用傳統(tǒng)真空干燥工藝除去多孔電極材料上吸附的水分子，應當在高真空環(huán)境下進行。本發(fā)明提出采用真空/充入惰性氣體的循環(huán)方式進行干燥，則水蒸氣和惰性氣體的吸附率遵循競爭的Langmuir公式。經(jīng)過多次充入惰性氣體對水汽進行稀釋，可以有效的降低活性炭表面的水分子的吸附率。 0A^l + a4PA+aBPB ⑵公式(2)中，0 A是A組分表面覆蓋范圍分數(shù)，Pa為A組分分壓，Pb為B組分分壓，a A為A組分吸附常數(shù)，a B為B組分吸附常數(shù)。本發(fā)明的干燥裝置如圖2、圖3和圖4所示，包括:烘箱箱體I，托盤2，托盤滾輪3，齒條4，導軌5，加熱板6，惰性氣體進氣口 7，真空抽氣口 8，托盤水平驅(qū)動電機9，驅(qū)動齒輪10，垂直驅(qū)動電機11，真空泵12，烘箱滾輪13，法蘭口 14，凹槽15，熱電偶16，PLC控制器17，加熱板冷卻系統(tǒng)18，強制對流風機19。所述烘箱箱體I為方形密封箱體，烘箱內(nèi)壁設置有平行排列的加熱板6，烘箱底面安裝有導軌5，烘箱壁上開的有惰性氣體進氣口 7和真空抽氣口 8。
所述托盤2結構見圖4，托盤底部安裝有滾輪和齒牙，托盤底部中央有凹槽15，其中齒條4與水平驅(qū)動電機齒輪10咬合使托盤2能夠自動進出烘箱，凹槽15可以與垂直驅(qū)動電機傳動軸配合使托盤2轉動。所述水平驅(qū)動電機9的傳動軸上安裝有驅(qū)動齒輪10，電機機體安裝在烘箱外面，傳動軸伸入烘箱內(nèi)部，驅(qū)動齒輪10安裝在傳動軸上與托盤底部齒條咬合，可以驅(qū)動托盤水平進出烘箱。所述垂直驅(qū)動電機11安裝在烘箱箱體I底部，電機機體安裝在烘箱外面，傳動軸從烘箱底面伸入烘箱，傳動軸為可伸縮軸，干燥開始時傳動軸與托盤底部凹槽15配合并把托盤2撐起，電機旋轉帶動托盤2旋轉；干燥結束時傳動軸旋轉到一定的角度，縮回傳動軸與托盤凹槽15脫離。所述加熱板6安裝在烘箱內(nèi)壁上，對托盤2內(nèi)電極芯進行加熱。所述熱電耦16共有多個，均勻分布在烘箱內(nèi)部進行實時溫度測量，數(shù)據(jù)反饋到PLC控制器17進行溫度均勻性檢測。所述烘箱箱門為自動箱門，由兩個氣缸控制，氣缸安裝在箱門外表面，一個氣缸驅(qū)動箱門開合，另一個氣缸在箱門關閉的時候壓緊箱門。所述法蘭口 14可以與后續(xù)注液工藝的注液箱緊密配合，通過密封橡膠圈密封。所述真空泵12為極限真空度達到50Pa以下的羅茨泵或者其它類型的真空泵。所述PLC控制器17 —方面可以實時讀出烘箱內(nèi)部工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，如溫度、真空度等，另一方面其內(nèi)置工作程序指導烘箱安裝預定工藝進行工作。
所述冷卻系統(tǒng)18采用水冷方式，管路采用不銹鋼管道，在電極芯冷卻階段能夠有效的冷卻烘箱內(nèi)加熱板6，提高烘箱的冷卻速度。所述強制對流風機19為安裝在烘箱內(nèi)部的循環(huán)風機，在整個干燥過程可使烘箱內(nèi)部氣體保持強制對流狀態(tài)，能夠大大提高傳熱效率和烘箱內(nèi)溫度的均勻性。實施例1:將60支超級電容器電極芯放入托盤，按動按鈕，水平驅(qū)動電機9驅(qū)動托盤進入真空烘箱，然后關閉烘箱門，開始啟動。(I)抽真空至烘箱內(nèi)壓力為50Pa ；(2)充惰性氣體至烘箱內(nèi)壓力達到0.2MPa ；(3)垂直方向電機傳動軸伸出，插入托盤底部凹槽并把托盤撐起，開始旋轉，轉速為5r/min,同時內(nèi)置風機開始旋轉；(4)烘箱開始加熱，加熱為左右以及后面板3個面板上的平行加熱板加熱，9個溫度探頭分布在烘箱內(nèi)部8個角落位置和后面板中央位置；(5)當烘箱內(nèi)溫度達到150°C，真空泵自動開啟，關閉風機，此時烘箱繼續(xù)加熱；(6)當烘箱內(nèi)壓力達到50Pa，停止抽真空，往烘箱內(nèi)充入干燥惰性氣體至0.2MPa,惰性氣體中水分含量為lppm，開啟風機，此時繼續(xù)加熱；(7)當烘箱內(nèi)溫度達到150°C，真空泵自動開啟，關閉風機，此時烘箱繼續(xù)加熱；(8)當烘箱內(nèi)溫度為150°C，壓力為50Pa，充入干燥惰性氣體至0.2MPa，開啟風機；(9)當烘箱內(nèi)溫度達到150°C，真空泵自動開啟，關閉風機，此時烘箱繼續(xù)加熱；(10)當烘箱內(nèi)溫度達到150°C，壓力達到50Pa，充入干燥惰性氣體至0.2MPa，開啟風機；(11)當烘箱內(nèi)溫度達到150°C，真空泵自動開啟，關閉風機，此時烘箱繼續(xù)加熱；(12)當烘箱內(nèi)溫度達到150°C，壓力達到50Pa，保持烘箱內(nèi)溫度和壓力，開始計時；(13) 60min后，充入干燥惰性氣體至0.12MPa，風機開始運轉，停止加熱，加熱板強制水冷開啟；(14) 2min后，風機停止，開始抽真空；(15)當烘箱內(nèi)壓力達到50Pa，時，停止抽真空，充入干燥惰性氣體至0.12MPa,同時打開風機；(16)重復步驟(14) - (15)直到烘箱內(nèi)溫度降到50°C以下，伸縮軸調(diào)整到開始角度，停止旋轉，軸縮回去，把托盤放下；(17)移動真空烘箱，使烘箱法蘭口與注液箱對接；(18)對對接口處空間進行抽真空/充入惰性氣體操作2—3次，除去空氣；(19)打開烘箱門和注液箱門，在水平驅(qū)動電機的驅(qū)動下，托盤從烘箱轉移到注液箱，關閉烘箱門和注液箱門。整個干燥過程小于2小時，遠遠低于傳統(tǒng)真空干燥的時間，提高生產(chǎn)效率。本發(fā)明裝置及方法利用多次真空/充入惰性氣體的循環(huán)對電芯表面水汽進行稀釋之外，與傳統(tǒng)真空干燥工藝相比的優(yōu)點還體現(xiàn)在:1、本發(fā)明在干燥加熱階段，采用先抽真空然后通入惰性氣體，并且使電極芯旋轉以及利用干燥裝置內(nèi)部的風機使惰性氣體流動進行加熱，此種方法一方面能夠大大提高被加熱物件的升溫速度，另一方面能夠保證烘箱內(nèi)的溫度均勻性，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。2、本發(fā)明在干燥階段，充入的惰性氣體壓力保持在一個大氣壓以上，另外利用風機保持惰性氣體的強制對流狀態(tài)，這樣，一方面能夠不斷降低水分子在電極材料上的吸附率，另一方面利用高速運動的惰性氣體分子和環(huán)境的壓力變化以及溫度變化來破壞水分子與被干燥物體表面的結合力，從而大大提高干燥效果和干燥效率。3、此外，本發(fā)明的干燥方法在冷卻階段，通過多次充強制對流高壓惰性氣體/抽真空的循環(huán)方式來冷卻被干燥物體，同時強制冷卻加熱板，能夠大大提高冷卻速度。4、冷卻結束后，被干燥的物體在不接觸空氣的條件下被送入下一工序，實現(xiàn)零污染。
權利要求
1.一種電極芯干燥裝置，其特征在于:該裝置包括烘箱箱體、加熱裝置、冷卻裝置、托盤、托盤水平移動裝置和托盤升降旋轉裝置；所述烘箱箱體為密封箱體，其上設置有惰性氣體進氣口和真空抽氣口 ；所述加熱裝置設置在所述烘箱箱體內(nèi)側壁，所述冷卻裝置設置在所述加熱裝置處；所述托盤水平移動裝置驅(qū)動所述托盤進出所述烘箱箱體；所述托盤升降旋轉裝置用于升高所述托盤驅(qū)動托盤旋轉。
2.根據(jù)權利要求1所述的電極芯干燥裝置，其特征在于:所述托盤水平移動裝置包括平行設置在所述托盤底部的齒條，所述齒條與由托盤水平驅(qū)動電機驅(qū)動的驅(qū)動齒輪相嚙合；所述托盤升降旋轉裝置包括設置在所述托盤底部的凹槽和由垂直驅(qū)動電機驅(qū)動的伸縮軸，用于將所述托盤托起后旋轉。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電極芯干燥裝置，其特征在于:所述烘箱箱體箱門處設置有法蘭用于與注液箱連接形成對接艙。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的電極芯干燥裝置，其特征在于:所述烘箱箱體上還設置有強制對流風機、熱電偶、PLC控制器和由氣缸控制的自動箱門；所述PLC控制器用于檢測和控制烘箱箱體內(nèi)的溫度、真空度以及指導烘箱按照預定工藝進行工作。
5.一種電極芯干燥方法其特征在于，所述干燥方法的操作步驟為: (1)電極芯放入干燥裝置內(nèi)托盤上，關閉箱門，抽真空至設定壓力值PO，PO小于2000Pa ； (2)通入惰性氣體至設定壓力Pl并打開強制對流風機，Pl大于0.1MPa ； (3)開始加熱，與此同時，干燥裝置箱體底部的垂直驅(qū)動電機傳動軸伸出撐起托盤開始旋轉； (4)當烘箱內(nèi)溫度上升到T0，關閉風機并開始抽真空操作，TO大于100攝氏度； (5)當烘箱內(nèi)壓力達到設定的壓力值PO時，此時烘箱內(nèi)溫度為Tl，持續(xù)加熱至溫度到設定值TO ； (6)重復步驟2至步驟5操作數(shù)次； (7)保持壓力PO和溫度TO的狀態(tài)下持續(xù)時間t，t大于20分鐘； (8)停止加熱并強制冷卻加熱裝置； (9)充入惰性氣體至設定壓力P2，強制對流冷卻烘箱內(nèi)電極芯，P2大于0.1MPa ； (10)關閉風機并開始抽真空操作至壓力PO； (11)重復步驟9至步驟10操作數(shù)次，直至溫度降至設定溫度值T3，T3小于50攝氏度； (12)干燥完成，對烘箱補充惰性氣體至微正壓，此時垂直驅(qū)動電機在固定角度停止轉動，并且縮回傳動軸，托盤底部與驅(qū)動齒輪咬合，滑輪落在導軌上； (13)把干燥裝置與注液箱對接，通過真空-補惰性氣體-真空-補惰性氣體操作排出對接艙內(nèi)的水分和氧氣； (14)打開干燥裝置自動門和注液箱自動門，在水平驅(qū)動電機的帶動下，托盤移動到注液箱，關閉干燥裝置自動門和注液箱自動門。
6.根據(jù)權利要求5所述的電極芯干燥方法，其特征在于:所述惰性氣體為水汽含量在IPPm以下純度達到99.999%的惰性氣體。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種電極芯干燥裝置，其特征在于該裝置包括烘箱箱體、加熱裝置、冷卻裝置、托盤、托盤水平移動裝置和托盤升降旋轉裝置。一種電極芯干燥方法，包括多次真空/充入惰性氣體的循環(huán)、旋轉加熱、強制冷卻和無暴露空氣對接等步驟。本發(fā)明裝置和方法加熱過程有惰性氣體充當導熱介質(zhì)，加熱速度快；電極芯旋轉加熱，且強制對流，提高了溫度的均勻性，為加熱溫度計算提供更可靠的數(shù)據(jù)；通過真空和補氣操作，更有利于水分的逸出，降低電極芯干燥溫度，提高產(chǎn)品品質(zhì)；電極芯冷卻過程中，采用惰性氣體冷卻和加熱板的強制水冷，大大縮短了冷卻時間；干燥程序自動控制，干燥系統(tǒng)可移動，通過烘箱法蘭接口與注液箱直接對接，避免電極芯二次吸水。
文檔編號F26B11/18GK103206838SQ20131011226
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權日2013年4月2日
發(fā)明者孫偉, 王俊華 申請人:海博瑞恩電子科技無錫有限公司