锂离子模拟电池组装和测

1、6.3 锂离子模拟电池组装和测试,钱 斌 2013.06,目 录,二、模拟电池部件的制备,一、模拟电池部件的介绍,三、模拟电池的组装,四、模拟电池的测试,一、模拟电池部件的介绍,模拟电池的主要组件,负极片,隔膜,正极片,锂离子模拟电池,泡沫镍,表1.2.正极复合材料的组分,1.1 正极复合材料,1.3.隔膜,一般采用聚乙烯、聚丙烯的白色隔膜（图左），单层或多层结构的产品皆可。这类膜上有着无数的纳米级空隙（图右），虽然本身是绝缘材料，不能传导电子，但其空隙可允许锂离子通过。使用时裁剪成圆形，直径与扣式电池正极壳的内部直径相等，这样可以避免锂离子从其边缘直接漏过,实验室中通常都可以采用Celgar

2、d2400 或Celgard2500 型号的工业用聚丙烯膜,1.4负极片,除非研究负极材料，模拟电池中都是采用金属锂片作为负极，电池中采用的锂片和模拟电池中配套的铝片的直径相同。在CR2032 中便采用直径15.8mm 的锂片作为负极,1.5 集电器,圆形铝片，半径比电池壳略小。如在2032 电池中，铝片直径为15.8mm。有多种常用的厚度，如1mm 和1.5mm。一般都可以使用在模拟电池中。 实验室中推荐使用厚度为1mm 的铝片。铝片可与电池壳配套购买使用,弹簧片示意图,泡沫镍,1.6 支撑片,在其支撑下，电池内部部件的接触紧密平坦，从而导电性良好。弹簧片和泡沫镍的支撑效果都可以满足模拟电池

3、结构的稳定。二者各有所长，使用弹簧片，可以省去裁剪泡沫镍的时间和工序；使用泡沫镍，可以省去铝片集电器，使组装电池的工艺更简单,1.7 电解液,电解液指电池中传导锂离子的锂盐有机溶液。电解液不能传导电子，但可作锂离子的传导介质，使锂离子在正负极之间来回转移。 实际工业生产中，不仅有液态电解液，还有胶态和固态的聚合物锂离子传导介质。三者可统称为锂离子传导电解质。锂盐是锂离子传导的主要作用成分，液态电解液中，一般以将锂盐溶于两种或多种的液态有机混合溶剂中，浓度一般都为1M。 常用锂盐主要有LiPF6、LiClO4 等。常用的电解液有机溶剂主要有碳酸丙稀酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DM

4、C)、碳酸二乙酯(DEC)、甲乙基碳酸酯(MEC)等组成的二元或者三元的混合溶剂。 磷酸铁锂的电解液可以采用EC：DEC=1：1(体积比)混合作为溶剂，配制浓度为1M 的LiPF6 溶液,二、模拟电池部件的制备,2.1.制备正极片,正极片的制备工艺有油性和水性两个体系，二者各有所长： 油系体系的模拟电池放电容量大，循环性能好； 水性体系的模拟电池的电极内阻值低，倍率性能更好。 研究人员可根据具体的研究内容，确定选用的体系,2.1.1.油性体系中制备正极片,表 2.1.油性体系的主要材料和主要设备,在磷酸铁锂测试中，可采用正极材料：炭黑：PVDF=80：10：10，以N-甲 基吡咯烷酮为溶剂调制

5、成均匀浆状。这里的数值比是质量比，也可以选择其他与此近似的质量比,混合与制片的步骤,1首先将NMP 加入烧杯。若NMP 用量少，可将适量的PVDF 分成多份，一次加入一份。建议每0.1 克PVDF 对应10 毫升NMP。 最后将正极材料和导电炭黑缓慢加入，二者的加入次序无严格要求。搅拌4-8 小时得到均匀的黑色浆状物,2将浆状物置于铝箔之上，采用刮刀将其均匀涂布成片状，均匀的附着于铝箔表面,4干燥后铝箔的压片，采用对辊机或压片机压制,电动轧机MR-03D,3制成的正极材料涂层放于烘箱中，以60-80烘干4-8h。烘干完成后移入真空干燥箱中，以120-140真空干燥8-12h,52升真空可编程干

6、燥箱 DZF-6050,2.1.2.水性体系中制备正极片,表 2.2.水性体系的主要材料和主要设备,将正极活性物质粉末、乙炔黑导电剂、聚四氟乙烯乳液粘结剂按质量比8：1：1的比例混匀，在对辊机上碾压而成厚约0.1mm 的薄膜。 获得平整薄膜后，将其铺于平整的铝箔上。再次在对辊机上碾压，获得正极材料的对辊压片。烘干以及真空干燥后，裁片使用,2.2.裁剪电极片,推荐方法： 条件较好的实验室可配备机械裁片机，机械裁剪得到的正极片外形规整，圆如满月。同批次的正极片的质量、半径等参数稳定，易于进一步求算正极材料质量。 因此，推荐实验室购买机械裁片机,2.3.正极材料含量的计算,推荐方法： 使用机械制备出

7、的铝箔，批次稳定。直接对空白铝箔裁片称重，然后将实验中得到正极片质量与该质量取差值，则得到正极材料的质量。操作简单明晰，易于掌握,2.4.裁剪隔膜,隔膜应该可以恰好装入电池壳，要求整体平整、形如满月、边缘圆滑，恰好可以和电池壳的内壁紧密贴合。 推荐采用直径为20mm的机械裁片机，可以轻易获得质量稳定的隔膜圆片。 隔膜的其他裁剪方法也有很多种，如下： 1. 用打孔器制取合适的切片，操作与极片的打孔切割一致； 2. 采用锋利的刀片比对电池壳的边缘，手动切割隔膜,手动冲压机 BK-12,三、模拟电池的组装,模拟电池的组装一般分两大步：手套箱内组装、手套箱内压制,3.1.手套箱内组装电池,表3.1.手

8、套箱组装电池的必备物品,模拟电池的层堆次序如下两种（由下至上,正极壳|正极片|电解液|隔膜|电解液|锂片|集电器|弹簧片|负极壳| |正极壳|正极片|电解液|隔膜|电解液|锂片|泡沫镍|负极壳,用镊子夹起完成的电池(注意：镊子应夹紧，保证此时不发生漏液、内部滑 移等现象)。 置入压片机前，采用纸巾擦净电池表面。 讲电池以镊子夹紧，正极朝上置入压片槽。采用1500N/cm2 的压强压制电池。 压制五秒钟即可松开压片机油阀，取出成品电池。 将电池在室温下贮存12h，以备电池测试,3.2.手套箱内压制电池,小型液压纽扣电池封装机 BFZ-110,四、模拟电池的测试,4.1.电池测试系统,电池容量是电

9、池的重要性能指标之一，日常说法是能存储多少电量。电池容量 的单位是毫安时每克（英文简称mAh/g），工业上叫做克容量。物理意义是：每克 电池活性材料中所含电量的mAh 数。mAh 具体物理意义为：以1mA 的电流持续稳 定一小时，电路中流过的电量。毫安时是电量的单位之一，相当于3.6 库伦,图 Li2Ru0.5Co0.5O3电极前三次充放电曲线,4.2 循环性能的单位与参数,电池的循环性能主要由三个指标衡量：循环次数、首次放电容量、保留容量。 电池连续重复进行多次的充电-放电的行为称为循环充放电，电池循环充放电的 次数称为循环次数； 电池的放电容量是指电池在完全充满电之后，可以放出的电量。电池

10、进行第一 次充电-放电测试时，电池获得的放电容量称为首次放电容量； 保留容量是指电池完成一定次数的循环充放电之后，电池依旧保持的的放电容 量； 一般至少循环一百次之后，得到的循环性能的数据才有说服力。循环次数相同 的情况下，保留容量与首次放电容量的比值越大，电池的循环性能就越好,图 Li2Ru0.5Co0.5O3材料的循环性能曲线,4.3 倍率性能的单位与参数,电池倍率性能的单位是充电/放电倍率（也有论文称作充电/放电比率），英文简称为C。无论充电还是放电，倍率性能的衡量指标都是C。测电池倍率性能时，常常会提到nC 倍率充电/放电。n 是指在一小时内完成充电/放电的次数，其倒数便是完成一次充电

11、/放电的小时数。例如5C 倍率放电，指一小时循环充电/放电5 次，或者说完成一次充电/放电需要0.2 小时。n 值越大，充电/放电的倍率越高。 以磷酸铁锂为例，其理论容量值为170mAh/g，假如电池中含有1mg 磷酸铁锂，其容量为理论容量。 对此电池做1C 倍率放电的方法：首先设定充电电流和放电电流借为0.17mA， 如果材料的实际充电容量与放电容量皆可达到理论容量值，则一小时就可完成一次充电或放电。如果设定充电电流为17mA，6 分钟就可完成一次充电，再设定放电电流为17mA，6 分钟就可以完成一次放电，此时为10C 倍率。 这里介绍一个简单的电流设置换算方法，假设正极片中含有纯磷酸铁锂m

12、 毫克，进行nC 倍率充放电测试时，充电/放电流都要设置为：0.17mn 毫安,图 Li2Ru0.5Co0.5O3电极在不同倍率下的循环性能图,电极可逆性的判断 循环伏安法中电压的扫描过程包括阴极与阳极两个方向，因此从所得的循环伏安法图的氧化波和还原波的峰高和对称性中可判断电活性物质在电极表面反应的可逆程度,4.4 循环伏安,若反应是可逆的，则曲线上下对称，若反应不可逆，则曲线上下不对称,循环伏安法是指在电极上施加一个线性扫描电压，以恒定的变化速度扫描，当达到某设定的终止电位时，再反向回归至某一设定的起始电位，循环伏安法电位与时间的关系为（见图a,图a,实验原理,若电极反应为Oe R，反应前溶液中只含有反应粒子O、且O、R在溶液均可溶，控制扫描起始电势从比体系标准平衡电势 正得多的起始电势i处开始势作正向电扫描，电流响应曲线则如图b所示,图b,图1 （a）Li1.40Mn2.0O4薄膜材料不同扫描速率下的CV图,4.5 交流阻