实验报告三(金属锂电池的制作与性能表征)12550701021钟如达

1、实验报告实验三: 纽扣金属锂电池(商品)的制造与性能表征班级： 12应化A班 学号：12550701021 姓名：钟如达一、实验原理一次性金属锂离子电池是由金属锂负极，过渡金属氧化物正极（如MnO2），隔膜为微孔薄膜和电解质为LiPF6、LiAsF6或LiClO4等有机溶液所组成。下面以MnO2为正极材料，金属锂为负极，叙述金属锂电池的工作原理：(1)正极放电时，正极从外部电子线路获取电子，Mn4被还原为Mn3。电极反应为：MnO2 + e- = MnO2(2)负极放电时电极反应为：Li - e- = Li+总反应：MnO2 + Li = LiMnO2 E = 3.5 V由于金属锂电池电容量大

2、、放电持续稳定、价格低廉而被广泛使用。二、实验材料仪器1、实验材料：二氧化锰（MnO2）、KS6石墨、铜箔、铝箔、隔膜（Celgard2400）、锂片、电解液（LB-315，1M LiPF6溶于体积比 EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）、扣式电池壳（CR2032）、纽扣电池座等。2、实验仪器CorreTest CS350电化学工作站、电子分析天平、YP-24T压片机、XYM-Z（Ø13 mm）压片模具、JK-CMJ-02扣式电池冲模机（Ø19 mm）、手套箱+JK-YYFKJ-20纽扣电池液压封口机（附带高纯氮气气源）等。三、实验流程与步骤(一)实验流程A搅拌B压

3、片烘干C切膜D封装F测试(二)实验流步骤1、正、负极的制备a、正极的制备按4: 1的质量比，分别称取2.40 g MnO2和0.60 g KS6导电剂碳黑混合均匀。准确称量混合物0.7605 g，并转移到压片机模具中，在8.0 T/cm2(仪器指针刻度为10)压力下压片，制成正电极片。把制备好的正电极片放置在120 烘箱中烘12小时后待用。b、负极、电解液、隔膜负极极片是厚度为1.50 mm直径为15 mm的锂金属片；电解液为LB-315（1M LiPF6溶于体积比 EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）；隔膜为Celgard2400，将隔膜纸裁剪/冲模成直径为19 mm的圆片。把裁剪好

4、后的隔膜、正极片、负极片、电解液、扣式电池壳（CR2032）、电池垫片、电池弹片等转移到充满纯N2的手套箱内。2、实验电池的组装实验电池装配过程在充满氩气的手套箱中进行，手套箱中氧含量、水含量均须低于10 ppm。干燥的电极移入手套箱后，分别将MnO2正极、隔膜、Li负极电解液按顺序装入实验电池的模具中，然后小心地转移到封装机上，使用液压装置小心压紧，密封电池的上下壳，确保电池密闭不漏电解液。3、实验电池的测试将待测的电池与测试仪器相连，注意避免正负极的短路，从工作站上启动软件，确认已连接的通道。分别进行开路电位、恒电位极化、恒电位阶越、线性扫描伏安法、循环伏安法、交流阻抗和放电测试。放电测试

5、能长时间正常点亮绿色的LED为佳。四、结果与讨论LED灯点亮展示图：图：LED灯点亮展示1开路电位（Open Circuit Potential Voc）如图1所示，可以看出t = 100 s时，开路电位为+3.9554V，该直线变化范围从 +3.9643.9554 V，变化很小，说明电极材料在电解液中基本达到稳定态，此时测得的EIS和CV有意义，EIS没有乱点。图1. 开路电位2恒电位极化（Constant Potential Polarization）*(选做,很耗电池电量)如图2所示，可以看出当商业金属纽扣锂电池连接在电化学工作站时，设定恒定电压为+ 0.0998V，极化时间100s后，

6、极化电流密度发生骤降，由5.7271×10-5 A/cm2降低至3.5174 ×10-5 A/cm2, 极化曲线比较平滑，说明电池的恒电位极化体系比较稳定。 此步骤是做完其他几项再进行的，所以恒电位低。 图2. 恒电位极化3恒电位阶越（Constant Potential Step）如图3所示，可以看到，设定的恒电位是由+0阶跃到+ 0.005V，电位的阶跃发生在第0.2s，总时间t=1s。阶跃前的电流波动不大，在阶跃后电流波动也不是很大。当时间为0.998335s时，电流为0.00026813A，初步判定此时在该电位（+ 0.005V）下，电流也达到稳态。图3. 恒电位阶

7、跃4线性扫描伏安法（Linear Scan Voltammetry LSV）由图4所示，可以看到，随着电压的逐渐增加，电池的电流密度也相应增加,电流密度与电压几乎成线性关系。这个线性关系与锂电池原理一致。图4. 线性扫描伏安5循环伏安法（Cyclic Voltammetry CV）通过图5可以看到，该图中并未出现明显的氧化和还原峰。该结果与线性伏安法所得结果相一致。图中的循环曲线平滑，而且循环的曲线都基本相似。图5. 循环伏安6交流阻抗（Electronic Impedance Spectrometry EIS）如图6所示，出现一个斜向上约45°的斜线，说明主要受到电荷扩散控制。图6

8、. 交流阻抗经过对这个交流阻抗图的拟合，得出图7的拟合图和等效电路，所以可以用图7的等效模拟电路图拟合出与原图大致相似的图。图7. 等效电路图7放电测试（Charge）图8. 放电测试五、问题与思考1. 比较本实验制造的金属Li电池和商品Li电池的性能好坏和制造工艺的异同点答：（1）性能方面A相同点：实验制品和商业制品的金属锂电池的电压可达到3.6v左右B. 不同点：实验制品电池很快放完电，放电极为迅速；而商业制品电池放电稳定（2）制造工艺方面A相同点：实验制品和商业制品的制造部件相类似，制造工序数量差不多B. 不同点：实验制品电池制造工艺简单简化；而商品电池制造复杂，精密2. 以MnO2为例计算电池的理论比容量。（提示：MnO2在放电过程中得电子数为1；组装电池前要称量和计算出正极材料MnO2的质量）答：1mol 正极材料Li