锂离子电池制作、表征和性能测试综合试验指导书

1、锂离子电池制作、表征和性能测试综合实验一、实验目的1、掌握锂离子电池正负极电极片的制备技术。2、了解纽扣式锂离子电池的装配技术。3、了解并掌握纽扣式锂离子电池的测试表征技术（充放电测试、CV测试及交流阻抗测试等）并会处理分析测试数据。4、了解锂离子电池正极和负极材料种类，掌握区别锂离子电池材料的方法（例如SEM、XRD、电池充放电特性等）。5、掌握成品电池的测试方法，会分析成品电池的测试数据。二、实验原理锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等几个部分组成。目前商用的 锂离子电池正极材料主要是磷酸铁锂、 钻酸锂、钮酸锂和三元材料；负极是碳材 料组成，如MCMB ,天然石墨等；隔膜采用具有微细

2、孔的有机高分子隔膜，如 美国Celgard隔膜；电解液由有机溶剂和导电盐组成，有机溶剂采用碳酸乙烯酯、 碳酸二甲酯等，导电盐采用LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiBF4等。负极的集流体为 铜箔，正极的集流体铝箔。通常使用的粘结剂为聚偏氟乙烯（ PVDF）等。使用 粘结剂把石墨、钛酸锂等负极材料粘附在铜箔上做成薄膜作为负极。由于正极材 料导电性不好，故必须加入导电炭黑材料。按照一定的配比，把活性料、炭黑和 PVDF混合均匀，加入适量溶剂制成具有一定流动性的胶状混合物，在铝箔上均 匀涂布，经真空干燥后即可作为正极。正负极都必须采用可以使Li+嵌入/脱出的活性物质，具结构示意图如图1所示：

3、1图1二次锂离子电池结构示意图由于扣式锂离子电池（CLIB）质量轻、体积小，更能满足现代社会用电设备 的小型化和轻量化的要求，目前 CLIB已商品化，主要用作小型电子产品电源， 如：电脑主板、MP3手表、计算器、礼品、钟表、玩具、蓝牙耳机、PDA、电子匙、IC卡、手摇充电手电筒等产品中，寿命可达 510年。另外，CLIB较圆 柱形和方形锂离子电池成本低，封口容易，设备要求简单，因此，近年来很多电池公司、大专院校和科研院所的研发部门对开发 CLIB越来越重视。三、实验设备和材料1、实验设备：称量瓶、磁转子、磁力搅拌器、涂膜机、电热恒温鼓风干燥箱、 真空干燥箱、极片冲模器、手套箱、电化学测试仪（L

4、and）、电化学工作站；扫 描电镜、X射线衍射仪。2、实验材料：正负极电极材料粉体、铜箔、铝箔、电解液、导电剂（Super P）、 粘结剂（PVDF）、纽扣电池用外壳（正极壳和负极壳），弹片、垫片等。四、实验内容和步骤（采用图片或视频的方式记录自己所做实验的流程 ）（1）扣式电池的制备工艺流程1、正负极活性物质、导电剂、粘结剂、集流体的选择电极活性物质选用正极材料（磷酸铁锂、钮酸锂、钻酸锂或者三元材料，需 自己根据材料物理性能及电化学性能进行分析，判定），负极（硬炭负极、硅炭、 天然石墨或人造石墨等，需自己根据材料物理性能及电化学性能进行分析，判 定），粘结剂用聚偏四氟乙烯（PVDF）,正极集

5、流体用铝箔，负极集流体用铜箔， 导电剂用乙快黑，模拟半电池用锂片，2、正负极极片的制作活性物质：导电添加剂：粘结剂=80:10:10 （质量比），按总量1000mg称 取各物质，先将活性物质（800mg）和导电添加剂乙烘黑（100mg）置于称量瓶中， 然后加入粘结剂（PVDF） 100mg,干混、搅拌30min,使得粉体混合均匀，然后 滴加入N-甲基叱咯烷酮（NMP）调节粘度，磁力搅拌成泥浆状，最终浆料以刚 刚流动为宜。磁力搅拌4h后，用手动涂膜机将搅好的浆料均匀涂覆在集流体上（涂抹器的开口设置成150Nm）,正极物质用铝箔，负极物质用铜箔，涂膜厚度为20微米。将涂好膜的铜箔或铝箔放入真空烘箱

6、中，110c烘干12h后，用冲片机将电极片冲成 =15mm的正负极片，同时冲极片空白的铜箔或铝箔，以便准确称量活性物质的量，将冲的极片放入真空烘箱中，真空 60C,烘干4ho挑选与极片当量的隔膜或多几片（完整、无损伤）采用无水乙醇清洗干净，放到无尘纸中，采用吹风机吹干，连同 1mL注射器及几张无尘纸放入到 60c真 空烘箱中烘干4h03、扣式锂电池的装配将称好质量的电极片，组装成纽扣电池，电池装配在充满Ar气的手套箱中进行，隔膜采用Cellgard,电解液为1mol/L LiPF6 /EC- DMC （体积比1 ： 1）,具体装 配流程如图2所示。实验工艺流程框图搅拌他膜片冲片I干燥模拟电池图

7、2扣式电池装配工艺流程图4、纽扣电池的测试物理表征对测试前后的活性物质做XRD物相分析和SEM形貌表征。电化学测试1、CV测试用电化学工作站VMP3测试循环伏安曲线，扫速为0.1mv/s。半电池：正极材料和锂片，电位区间为 2.03.8V。半电池：负极和锂片，电位区间为 02.5V。各扫描4次，等曲线稳定，重复性好的结果作为实验结果，标明为第几个循环。2、恒电流充放电实验：磷酸铁锂的理论容量为172mAh/g,石墨的理论容量为372mAh/g。用活性物 质的质量乘以理论容量，得到电池的容量。倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数据 值上等于电池额定容量的倍数，通常以字

8、母C表示。如电池的标称额定容量为600mAh 为 1C (1 倍率),300mAh 则为 0.5C, 6A(600mAh)为 10C。分别用Land电化学测试仪，测试制作电池的 0.1C 10循环，0.5C 50循环， 1C 100循环。3、倍率测试将制备扣式电池按照0.1Ct0.5Ct 1Ct 0.1C各循环10圈，测试电极材料的 倍率性能。(2)成品电池性能测试230mAh锂离子成品电池的性能测试(CIII-107房间)，最后需要判定正极 是用钻酸锂还是磷酸铁锂？1.成品电池的性能测试在25C、40%湿度条件下，对某软包电池进行如下两项测试：1)电池容量表征测试(1)电池以0.2C电流包流

9、充电至4.2V ,然后恒压充电至电流10mA(2)搁置10分钟(3)以0.2C电流恒流放电至2.7V（4）搁置10分钟电池按此程序充放电循环3次，得到电池的容量，绘制出电池的充放电曲线。 从充放电曲线上电压平台等信息了解该电池体系电极材料的特点。（负极一般是石墨材料，电池正极材料一般是 LiCoO2或LiFePO4）。（电池标称容量230mAh） 2）电池倍率性能测试电池首先以0.2C恒流充电至4.2V,接着恒压充电至10mA,搁置10min, 再以0.2C恒流放电至2.7V,搁置10min,如此循环3次；然后以0.2C恒流充电 至4.2V,接着恒压充电至10mA,搁置10min,再以0.5C

10、恒流放电至2.7V,搁 置10min,如此循环3次；最后以0.2C恒流充电至4.2V,接着恒压充电至10mA, 搁置10min,以1C恒流放电至2.7V,搁置10min,如此循环3次。得出电池倍 率性能数据并分析结果。五、实验报告要求1、记录实验操作过程及实验现象。2、简述锂离子电池的充放电机理和纽扣式锂电池制作注意事项3、记录实验条件，并对XRD, SEM,循环伏安以及倍率充放电实验结果进行分 析。六、问题和讨论1、如何评价纽扣电池的好坏，影响纽扣电池性能的原因有哪些？2、纽扣式锂电池制作工艺中的重点控制步骤有哪些？3、试讨论实验过程和条件能否进行优化和改进？纽扣电池制作视频地址： HYPERLINK /v_show/id_XODU0MTY5MTY=.html /v_show/id_XODU0MTY5MTY=.html参考文献1黄可龙，王兆翔，刘素琴.锂离子电池原理和关键技术.北京:化学工业出版 5社,20082郭炳焜，徐徽,王先友.锂离子电池.长沙:中南大学出版社,2002.3 Nishi Y. Lithium ion secondary batteries; past 10 years and