201X-11-13终于找到了!史上最详细扣式电池极片制备和电池组装教程

1、精品文档终于找到了！史上最详细扣式电池极片制备和电池组装教程2018-11-13 V微算云平台实验室锂离子扣式样品电池，包括半电池（half cell,正极极片/金属锂片、负极极片/金属锂片）、全电 池（正极极片/负极极片）以及对称电池（正极极片/正极 极片、负极极片/负极极片）。扣式电池由成套的扣式电 池壳及内部组件构成，不锈钢电池壳电化学稳定性好、密 封性良好、尺寸较小、组装较为简单、价格便宜、适用温 度为4080,适合大量测试使用。最近国内外企业开始研制高通量扣式电池自动组装 设备，用于电池关键材料的批量加速险证和研发。一般的 扣式电池壳型号有CR2032、CR2025. CR2016等

2、，实险室 中常采用CR2032型电池壳（即直径为20 mm,厚度为3. 2 mm） o扣式电池壳用后则报废，需增加金属回收环节以免nnnizunuununuunr r r rnr nr精品文档浪费和污染环境。还有一种可重复使用的电池Swage I ok电池，又称为模拟电池，也经常用于实脸 室测试，其电池壳采用不锈钢外壳和聚四氟乙烯内胆，可 重复使用。Swage I ok型电池拆解便捷，适合用于电池拆 解分析。但模拟电池相对成本较高，且组装出一致性较好 的电池需要规范的训练和一定经脸。一套CR2032型电池壳包括：负极壳，弹片，两个垫 片。组装一个扣式电池的基本步骤包括：制浆、涂布、烘 干、裁片

3、、组装。下面进行详细解释。极片的制备实险室用极片制备过程可分为混料和涂覆两个步骤。 其中混料工艺主要包括手工研磨法和机械混浆法，涂覆工 艺则包括手工涂覆和机械涂覆。实脸室进行混料时，依据 供料的多少来确定采用手工研磨法或机械混浆法，如活，性 材料的质量在0.15.0 g时建议采用手工研磨法，活性 材料的质量超过5.0g时，建议采用实险室用混料机进行 混料。实险室中每次混浆量有限，常采用手工涂覆，当浆 料足够时可采用小型涂覆机。整个极片制作过程需要在干 燥环境下进行，所用材料、设备都需要保持干燥。图1为 手工混料、手工涂覆方法制备极片过程，包括材料准备、 活性材料和导电剂的称取和研磨、加入黏结剂

4、、浆料研磨、 取出浆料手工涂布极片、极片烘烤等步骤。AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF精品文档(1)制浆制浆过程需要用到活性物质、导电剂、 粘结剂、溶剂、转子、称量瓶等。活性物质：实验室用正、负极材料(活性物质)可以 采购，也可以自行制备，一般为粉末材料，颗粒尺寸不宜 过大，便于均匀涂布，同时避免由于颗粒较大导致测试结 果受到材料动力学性质的限制较大以及造成的极片不均 匀性问题。实脸室研究一般最大颗粒直径(Zhiax)不超 过50 11 m,工业应用一般Znax不超过30 n mo较大颗粒、 团聚体或者纳米级别，需做研磨、过筛处理。导电剂：常用的导电剂为碳基导电剂，包括乙块黑 (A

5、B)、导电炭黑、Super P、350G等导电材料。粘结剂：常用粘结剂体系包括聚偏氟乙烯-油性体系 即 po I y (v i ny I i dene f I uor i de) , PVDF 体系以及聚四AhAI ZUAUUAUAUUAr h h r Ah Ah精品文档 氟乙用一水性体系即 po I y （f I uortetraethy I ene） , 一殳 为乳液，简称PTFE体系,SBR （丁苯橡胶）乳液等。常用质量配比为 活性物质：导电剂：粘结剂二8:1:1 （或8:1.5:0.5,可以根据材料适当调整，但一般来说， 正极材料不低于75,导电剂和粘结剂不低于5）溶剂：常采用NMP

6、（6甲基毗咯烷酮）。NMP和PVDF溶液的配制：配制NMP和PVDF的溶液， 可以配制 0. 02 g/mL 0. 025 g/mL 和 0. 03 g/mL 的三种， 选择合适自己材料的浓度使用。配制方法很简单，只需要 将两种物质在广口瓶中混合就行，通过磁力搅拌，溶液中 没有白色物质就行。需要注意的是：配制结束后，广口瓶 要通过封口胶密封，因为NMP容易吸水或者变质。其中要 注意的是需先将粘结剂（如PVDF）加入溶剂NMP中，在AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF精品文档50°C以下搅拌至PVDF完全溶解。(2)浆料的配置步骤：图1:机械混料、手工涂覆流程第一步：用移液枪

7、量取2 mL的0.025 g/mL的 NMP/PVDF溶液，放入D15搅拌子进行磁力搅拌；第二步：称取0. 05 g导电剂Super P缓慢加入称量 瓶中，搅拌20 mino加入过程中尽量不要使导电剂碰到 上侧瓶壁，更不要因为加入的太快而使导电剂散出称量 瓶。第三步：称取0.4g活性物质，加入称量瓶中。注意 事项同上，加入后搅拌4-5小时，搅拌时间不固定，以浆 料粘稠状态为准。小贴士：何种浆料状态为最好？一般来说，轻轻晃动称量瓶，混合物既不是粘度很高 无法流动，又不是像水一样易动而不挂壁即可。太稠可以 加入一滴NMP继续搅拌一会儿，一般一滴就足够了。太稀 可以将称量瓶放入鼓风干燥箱烘干一会儿。

8、在混料过程中需将黏在壁上的材料处理并混入浆料 中，防止因为比例不对造成计算材料比例时出现偏差。混 浆过程时间过短或过长、浆料不匀或过细都会影响到极片 整体质量和均匀性，并直接影响材料电化学性能发挥及对 其的评价。精品文档(3)极片的涂布集流体的选择锂离子电池极片的正、负极集流体分别 为铝箔和铜箔，如果选用单面光滑的箔材，建议在粗糙的 一面上涂布，以增加集流体与材料之间的结合力。箔材的 厚度没有特殊要求，但对箔材的面密度均匀性有很高要 求。如果是硅基负极材料，可以选用涂碳铜箔以提高黏附 性，降低接触电阻，增加测试结果的重现性，提高循环性 能。一般使用刮刀和流延涂覆机，进行涂布，正极材料涂 布在铝

9、箔上，负极涂布在铜箔上。没有涂覆机的同学可以 使用玻璃板和刮刀进行涂布。涂布过程比较简单，但是需 要注意以下几点(1)铝箔需要平整，要尽可能的减少褶皱；(2)涂布前要用酒精和脱脂棉仔细清洁铝箔和涂覆 机平台；(3)脱脂棉清洁后要用卫生纸小心清洁一次，一来 去掉可能存在的棉絮二来不要划伤铝箔。此外，特别需要注意的是，一般极片的面容量设为2 4 mA h/cm2,最低不建议低于1 mA h/cm2,这样的活性 物质负载量与工业应用的更为接近，便于准确对标评价材 料的倍率和低温特性。个别情况下，可以超过这一负载量, 例如针对厚电极的研究。低于这一面容量制作的极片，一 方面，称量误差较大；此外，由于极

10、片薄，动力学性能较 好，体积变化较小，电解液相对远远过量，这样有利于测 到材料的最高容量，但半电池测到的倍率、循环性有可 能会显著高于实际全电池工作条件下的性能，此时的动力 学及循环性数据结果并不能和大容量实际电池有较好的 对应关系。当然，即便和实际体系的要求有差异，但如果 所有材料按照同一极片的制作条件来对比，对于比较材料 的性能差异也有一定意义。但不同极片制作条件下的动力 学、循环性能数据对比，往往可靠性低，而实验室手工制 作的薄极片的一致性往往很难保证。小知识：正负极极片的制备流程相同，区别在于正极 涂布在铝箔上，负极涂布在在铜箔上，这是为什么呢？AHA12GAGGAGAGGAFFFFA

11、FAF精品文档首先，两者的导电性都相对较好，质地比较柔软，价 格也相对较低。其次，铝本身比较活泼，在低电位下，铝会出现嵌锂， 生成锂铝合金，不宜作为负极的集流体。如果使用铝箔作 为负极的集流体，铝会和锂形成合金，然后粉化，严重影 响电池的寿命和性能。最后，铜在高电位下容易氧化，不宜作为正极的集流 体，铜表面的氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚 时，阻抗会增加。同时锂不会与同在地点为下形成嵌锂合 金。极片干燥条件、辐压工艺、极片压切与称量、真空烘 烤a. 极片的干燥AhAI ZUAUUAUAUUAh h h r Ah Ah精品文档极片的干燥一般需要考虑3点,烘烤温度、烘烤时 间、烘烤环境，对

12、于NMP的烘烤温度需要100以上，在 能够烘干的前提下，尽量降低烘烤温度，增加烘烤时间。 对于一些容易氧化或者在高温空气中不稳定的材料，需要 在惰性气氛烘箱中烘烤。还可以通过直接测量极片水分含 量来确定干燥条件。极片干燥的目的在于去除浆料中大量的溶剂NMP以 及其中的水分，所以要经过鼓风干燥和真空干燥两个步 骤。每个步骤的具体温度和时间，不同工作中有不同的报 道，但需要注意：(1)干燥NMP的温度不需要太高，但由于溶剂太多， 需要较多的热量，所以干燥时间较长；(2)由于水的沸点是100,所以鼓风干燥的温度 需要较高，但由于水分含量较少，干燥时间可以缩短，在 鼓风干燥时，可以设置两个温度段，每个

13、温度时间不同， 最高温度可以设置为100。另外负极的干燥温度应低于 正极，有时候出现铜箔氧化的现象；注意：干燥温度过高和时间过长，会出现严重的掉粉 行为，关于鼓风干燥的温度，正极不应超过120,负极 不超过90o(3)鼓风干燥后，要经过真空干燥，温度一般设定 为120,时间10小时左右。但不可以不经过鼓风干燥 直接进行真空干燥，这样操作会导致NMP充满于真空干燥 箱内，而使干燥效果不好。不经过真空干燥也是可以的， 但是有条件的最好不要省略这个步骤。AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF精品文档b.压片、裁片涂布后，干燥出的复合材料涂层比较疏松。若直接使 用，被电解液浸润后容易脱落损坏。

14、可采用对辐机或者压 片机等进行压片处理，对辐机一般可将正极片涂层压制到 1560 um。压片机可以采用大约80120 kg/cmz压强进行 压制。压片后的电极，稳定性、牢固性以及电化学性能都 获得了改善，测试表现要好于不压片的样本。压片主要目的有两个：一是为了消除毛刺，使表面光 滑、平整，防止装电池时毛刺刺破隔膜引起短路；二是增 强极片的强度，减小欧姆阻抗。压力过大会引起极片的卷 曲，不利于电池装配，压力过小又起不到压片的作用。极片的辐压过程中需要将极片压实，压实密度尽量接 近工业中极片的压实密度。为了测量材料的动力学极限，aha i ztiAUUAtiAUUArrr r ar ar可以按研究

15、目的调控压实密度。将制备好的极片，用称量纸上下夹好，放到冲压机上 冲出小极片（图2）,小极片直径可根据冲压机的冲口模 具尺寸进行调整，实险室常采用直径为14 mm （对应 CR2032扣式电池）冲口模具。对冲好的小极片进行优劣 选择，尽量挑选形貌规则、表 面及边缘平整的极片，若 极片边缘有毛刺或起料，可采用小毛刷进行轻微处理。冲 压制备的小极片数 量根据测试要求和涂片面积进行调 整，一般用于充放电测试的极片数量不低于5片（建议 挑选8片以上完整测试极片）。图2手工冲压极片流程将挑选合格后的小极片移到精度较高的天平（精度不 低于0.01 mg）进行称量，称好的极片放到 待装电池的 袋子里，并记录

16、对应数据（图4） o除了极片的质量称 量之外，在采用厚度仪对极片的厚度 进行测量时，多个 极片的测量数值误差在3%以内则认为该极片厚度均一 性良好，并记录厚度平均值。图3冲压后的极片称量及标记将称好的极片放入真空干燥箱，抽真空至0.1 MPa,设定干燥温度和时间，可以采用120烘烤6 h,这一步骤的目的是进一步去除极片中的水分。启动运行升温后建精品文档议标注实验信息（图5）,防止其它人误操作。AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF精品文档图4极片干燥烘烤流程c.双面极片处理方法在实险室测试分析中，还包括对一些工业生产线上制 备极片以及从电芯拆解取出极片的电化学性能进行分析 评估。上述极

17、片多为双面涂覆极片，因此在组装扣式电池 测试之前需将双面极片处理成单面极片（暴露出集流体）。 常用的处理方法包括刮刀法、擦拭法以及背面贴胶法。刮刀法主要采用手术刀对目标极片一侧进行刮划，可 直接在手套箱内操作，但该方法较易损伤集流体，且耗时 较长，不建议采用。擦拭法需要采用水作溶剂对负极片一侧进行擦拭，正 极片则可采用NMP （心甲基毗咯烷酮）作溶剂擦拭。擦拭 至背面无明显活性材料（目视观测即可）后，用冲压机进AhAI ZUAUUAUAUUAh h h r Ah Ah精品文档行冲片处理，制备成标准尺寸的单面极片。该方法操作简 单，但易出现溶剂渗透或气氛渗透，对极片另一侧表面产 生影响。另外，该

18、方法难以制备极片边缘处样品，多用于 制备极片中心区域样品。背面贴胶法是中国科学院物理研究所（以下简称物理 所）失效分析团队近期发展的一种双面极片处理方法，即 采用边缘折叠和背面贴导电胶，将目标极片的背面包裹于 集流体和导电胶内部，形成单面极片。该方法操作简便， 可以方便地在双面极片上任意部位取样制作单面极片，整 个过程可以在手套箱内完成。单面处理后的目标极片样品需要进行清洗，目的是去 除极片表面的锂盐和残余电解液。常采用的方法是将单面 极片浸泡于DMC等溶剂中68 h,或用钝头镶子夹起目 标极片样品，并利用移液器或滴管吸取DMC,对目标极片 含活性物质一侧进行正面冲洗数次，或者两种方法结合使

19、用。清洗后，将极片置于真空舱内，真空干燥去除溶剂。 清洗及真空干燥均在手套箱内进行。干燥后的极片可置 于平整 的模具中以保持极片平整，方便后期扣式电池组 装。扣式电池组装方法AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF将准备好的极片转移到惰性气氛手套箱内，准备扣式 电池组装部件：负极壳、金属锂片、隔膜、垫片、弹簧片 （泡沫锲）、正极壳、电解液，此外还需要压片模具、移 液器和绝缘镜子。扣式电池组装次序主要有两种，我们实验室一般习惯 从负极壳开始，但也可以从正极壳开始，这个没有对错之 分，全看个人习惯。I负极壳I弹片I垫片I锂片I电解液I隔膜I电解液I 正极片I垫片I正极壳I步骤描述步骤说明正极

20、壳开口面向无需说明上，平放于玻璃板上用镶子将垫片置入正极壳，有毛刺的一面朝下，然后小心夹取正用镶子将垫片和 极片，将涂布层向上，放于正极壳 正极片依次置入正极的正中间。这一步骤应该反复练习， 壳，正极片位于正中 确保镶子夹取的力度合适，不会损伤正极片，严防弯折或者扭曲正极片，保持平整的放在正极壳中用极细的玻璃滴管酌量吸取电采用胶头滴管或解液，此过程以完整均匀的润湿电 注射器吸取电解液，浸极片表面为目标。注意在润湿的过 润正极片表面程中，滴管/针头和电极片一定不能碰触用镶子夹取隔膜，由于裁剪的隔膜和电池壳内部直径一致，恰好可以装进电池正极壳中。这一步尤 夹取隔膜，覆盖正其要小心，不要使隔膜提前接

21、触到 极片电解液，应该将隔膜先对准电池壳边缘，缓缓退出镜子，均匀覆盖下由于隔膜是惰性且洁净的物 再次使用胶头滴质，这时可以使用滴管前端轻轻碰 管/注射器吸取电解触隔膜，使之更加平整，均匀，边 液，润湿隔膜表面。缘与电池壳接触更为严密。尽量避免隔膜的褶皱锂片半径为15.8 mm,应当恰好放于电池壳中间，这是最难的一步，必须一次成功。因为锂片和电解液、 夹取锂片放置于隔膜会产生粘附，如果放不准，调 隔膜整非常困难。也就意味着此次模拟 正中电池组装的失败（其实也不一定，多滴加一点电解液，就可以进行微调）夹取垫片置于锂这一步的垫片如果略微放偏，片上，严格对齐可以进行小心的调整所有步骤都尽量用镣子操作。

22、如不慎放偏，这一步也可以进行微夹取弹片置于垫 调。此前的步骤中，如果部件的放片上，严格对齐置位置出现偏差，都可以用双手各拿一把镶子，配合进行轻微的调整, 镶子不方便使用时，可使用药匙镀子夹取负极壳 无需说明 覆盖图5扣式电池组装流程进一步，用绝缘镶子将扣式电池负极侧朝上置于扣式 电池封口机模具上，可用纸巾垫于电池上方以吸收溢出的 电解液，调整压力（一般为800 Pa）压制5 s完成组装 制备扣式电池，用绝缘镶子取出，观察制备外观是否完整 （图7）并用纸巾擦拭干净。图6扣式电池封装流程模拟电池的组装过程与扣式电池相似，以物理所自行 设计的模拟电池组装为例，需准备组装材料包括：模拟电 池模具（一个

23、聚四氟乙烯内胆，一个聚四氟乙用套管，正 负极壳和金属导体柱），金属锂片，隔膜，电解液及待测 极片。其中待测极片尺寸不能超过聚四氟乙烯内胆尺寸。 如下图，将金属锂片、隔膜、聚四氟乙烯内胆依次放入负 极壳模具内，然后用移液器滴加一定量电解液，并将待测 极片和金属导体柱依次放入内胆中，保证活性材料一侧贴近隔膜。进一步地，将套有聚四氟乙烯套管的正极壳模具安装在负极壳模具上，完成模拟电池的组装。图7模拟电池组装流程图实验室扣式电池制备中的注意事项(1)金属锂片、隔膜、电解液的选择和处理实脸室用金属锂片能够提供远远过量的锂源(1mA h/cm2 相当于5 m厚锂箔，实际购买的锂片往往在400500 1 m

24、,相当于80100 mA h/cm2,工业级别的 正负极极片单面容量一般在24 mA h/cm2）,杂质少 且尺寸需大于待测极片，一般可从相关企业或供应商处直 接采购惰性气氛保护下的金属锂片，并于惰性气氛保护手 套箱内拆解、使用。要求使用锂片纯度不低于99.9%,用 于制备扣式半电池时经常采用直径1515. 8 mm （对应极 片尺寸为14 mm的CR2032扣式电池），厚度0.50.8 mm, 表面平直、银白色光亮、无油斑、穿孔和撕裂。隔膜的类型需根据实验要求进行选择，一般为具有纳 米孔隙的绝缘膜，吸附电解液后可允许离子双向传输，常 采用单层或多层的聚乙烯或聚丙烯隔膜，一般选择采购商 业隔膜

25、，并采用冲片机隔膜制备成尺寸规则的圆形，尺寸 需大于金属锂片和待测极片以便隔离正负极片，通常与扣式电池壳的内径相同（如CR2032的使用隔膜直径为15.516.5 mm）。实 险室中常采用Celgard2400或Ce I gard2500型号的工业用聚丙烯膜。在组装实险室用扣式锂离子电池时，通常选择 LiPF6体系电解液如磷酸铁锂电池的电解液一般为浓 度1 mol/L的LiPFe溶液，以EC/DEC为1 ： 1 (体积比) 混合液作为溶剂，并且可根据实脸要求进行选择，如选择 普通配比电解液、含有某种或多种添加剂的电解液等。扣 式电池组装时电解液的使用量通常为过量，如在扣式电池 CR2032中电

26、解液的使用量一般为100150L,在模拟电池中电解液的使用量一般为200 Lo如需进行长循 环测试，可对电解液的量进行适当增加。(b)制备极片及电池的优劣选择制备后的极片表面平整，无明显大颗粒物，且在烘烤、 常温冷却、转移过程中无明显掉料现象，可初步判断极片 制备合格。进一步可通过对极片的质量、厚度、冲片后边 缘的掉料程度进行对比，如果极片的质量、厚度相差很大， 极片圆片的边缘掉料有好有坏，说明极片制备的并不合 格。应选择其中质量、厚度和边缘掉料均一的极片组装电 池进行测试。制备好的扣式电池和模拟电池外壳模具平整无损坏， 表面无腐蚀痕迹、无明显漏液现象。采用万用表或电池测 试仪对制备电池进行开

27、路电压测试，正极材料半电池开路 电压在3 V以上，负极材料半电池开路电压在2.53.5 V 内，表明组装电池无明显短路情况，若开路电压异常则可 视为组装电池不合格。在筛选合格的扣式电池正极壳上用 记号笔标注必要电池信息。(c)其它注意事项在以金属锂作为负极的扣式半电池中，全电池中的负 极材料此时实际上在扣式电池中也是正极。在扣式电池中 需保证隔膜的直径锂片的直径A极片的直径。在用镶子 移动整个扣式电池的时候，需要采用绝缘镶子，防止正负 极接触短路。为保证后期电化学测试项目及考虑到误差和 操作失误，实脸室组装同一种材料的扣式电池或模拟电池 数量一般不低于5个。扣式电池和模拟电池制备过程放置锂片步骤，需将锂 片边缘光滑面朝隔膜一侧放置，必要时可以用平整的与锂 不反应的硬物压平金属锂片的表面，以防止锂片边缘毛刺 穿破隔膜导致电池短路。扣式电池和