锂离子模拟电池的制作与测试讲义_图文精

1、锂离子模拟电池的制作与测试【实验目的】.熟悉、掌握锂离子电池的结构及充放电原理.熟悉、掌握锂离子正极材料的制备过程及工艺.熟悉、掌握锂离子电池的封装工艺及模拟电池测试方法【实验原理】锂离子电池是指正负极为Li +嵌入化合物的二次电池。正极通常采用锂过渡金属氧化物 Li x CoO 2,Li x NiO 2或Li x Mn 20 4,负极采用锂-碳层间化合物Li x C 6。电解质为溶有 锂盐LiPF 6, LiAsF 6, LiClO 4等的有机溶液。溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC、碳酸丙烯酯（PC、碳酸二 甲酯（DMC和氯碳酸酯（CIMC等。在充放电过程 中，Li +在两极间往返嵌入和脱出，被形

2、象的称之为 摇椅电池”（Rocking Chair Battery。锂离子电池充放电原理和结构示意图如下图。M就，QGrapfiito iayf 锂离子电池的化学表达式为：6( |( n x y C LiPF EC DMC LiM O -+其电池反应为:1-x y x x y x n LiM O nC Li M O Li C ? 一+? ? ?放电充电下面以尖晶石型Li x Mn 2O 4为正极材料，富锂层状石墨为负极，叙述锂离子的 充放电过程：(1正极放电时，正极从外部电子线路获取电子，锂离子嵌入正极，部分Mn 4+被还原为Mn 3+充电时，正极把电子释放给外部电子线路，锂离子从正极材料中脱

3、嵌，电极反应为：?放电2424x x y Li Mn O yLi ye Li Mn O + ? ? +充电（2负极放电时,负极石墨层间的锂离子脱出，同时电子通过外部电子线路释放，充电时，从 外部电子线路获取电子，锂离子嵌入，电极反应为：z z y Li C Li C yLi ye +-?.+?放电充电锂离子在电解液中，通过微孔薄膜往返迁移，然后嵌入到电极中。电子在外部线 路中转移而释放或消耗能量。从锂离子电池的充放电过程可以看到，锂的化合价态 始终保持+1价，无价态转变，所以这种二次电池叫 锂离子电池”。本实验以高温固相法制备的尖晶石型 LiMn 2O 4作为正极材料，纯锂片作为负 极，制备扣

4、式锂离子模拟电池，并对制备的扣式半电池进行充放电测试。【仪器与试剂】1,仪器设备Autolab电化学工作站、 BTS-5V1mA新威电池测试系统、 Mikrouna Universal（2440/750手套箱、DC-2型搅拌器、梅特勒-托利多AL104电子分析大 平、DZF-6020真空干燥箱、KQ-100DE数控超声波清洗器、上实101A-1B电热 鼓风干燥箱、雷磁PHS-3C型pH计、晶科T-06切片机、上海弗安FA-1000自动 涂布机、中兴伟业SX2系列高温箱式电阻炉、南大 天尊ND7球磨机、长沙天创 GQM-8-0.05/1 罐磨机、MSK-110 封口 机等2.试剂材料碳酸锂、四氧

5、化三钻、乙醇、电解液（1M LiPF6溶于体积比EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液、锂片、乙快黑、PVDF、氮甲基叱咯烷酮、去离子水等1、正极活性物质的制备目前,高温固相法是合成尖晶石型LiMn 2O 4正极材料最常用的方法。首先将 锂的前驱体（如LiOH、Li 2CO 3、LiNO 3等和钻的前驱体（如各种形态的MnO 2、Mn 2O 3、MnCO 3等混合，然后在600c900c下煨烧数小时，发生高温固相 反应，即可得到LiMn2O 4正极材料。反应方程式如下：2322422Li CO +4MnO2LiMn O +CO+0.5O 一23232242Li CO +2MnO +0.5O

6、2LiMn O +CO -由于Li、Mn前驱体粉末接触不充分，造成了产物结构的不均匀性，粒度分布范 围宽，所得产物的电化学性能较差。因此可通过多步固相合成法，采用分段升温、多次球磨的方法，来改善材料的结晶程度，提高材料的电化学性能。也可通过掺杂 离子来改善活性物质的电化 学性能，离子掺杂主要包括阳离子掺杂（如Li、Cr、 Al、Mg、Ti、Zn、Fe、Cu 以及稀土元素等离子取代部分Mn 3+、阴离子掺杂（如F、Cl、S等取代O和阴阳离子复合掺杂等。正极活性物 质的制备流程图如下LiMO. 碳黑 PVDF混合调浆 I 涂布 I 干燥 1 I 质片, wn I口声。？ Mn3O4 挎杂剂依计早比

7、混合女八仙皿t aj正极活性物质的制备流程图2、正、负极片的制备a、正极片的制备正极活性物质、导电剂乙快黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF按80:10:10的质量比混合均匀后，加入一定量溶剂N-甲基-2-叱咯烷酮(NMP ,在球磨机中充分研磨2 小时，然后通过自动涂覆机在集流体铝箔上涂上一定厚度的薄膜，置于80 C鼓风干燥箱中烘2小时,再放入120c真空干燥箱烘干12小时。将烘干的极片经过对辗机滚 压,使活性物质与 集流体紧密结合。将压好的电极裁成 12mm的圆片后，再次进行 真空干燥，储存备用。具制备流程图如下：b、负极片制备、电解液、隔膜负极极片采用厚度为1.5mm直径为15mm的锂金属薄片

8、；电解液为1M LiPF6 溶于EC: DEC: EMC=1:1:1（体积比的溶液;隔膜为聚丙烯，将隔膜纸通过切片机裁剪 成为18mm的圆片。3、扣式模拟电池的组装实验模拟电池组装过程是在充满氧气的手套箱中进行 ，手套箱中氧含量、水含 量均须 低于1ppm。干燥的正负极片移入手套箱后，将LiMn 2O 4正极、隔膜、电 解液和Li片负极按 顺序装入扣式2025模具中（见下图，然后用封口机压封。步骤描述步骤说明1止慑光开口面向上 Y放于成坳板上无需说明2用将正极J；置人正被 光.止核片位于止中用子小心夹取iEH片.将涂布层向匕 放于足极 光的正中间这一步我应该反发练习.确保也于先 取的力度点14

9、不会摘伤正极片.六防穹折或青相 曲正极片.保井平整的放注正极光中J次川股头渝竹吸取电 解液，浸涧止极K衣制用极细的破跳滴竹於fit吸取电N液.此过程以完整 均匀的涧源电极片衣为目标注总在润濯的过程 中.成球滴管对电极片定不能碰收4头取席声曲止也片用建干先取隔照.由于裁剪的“黑刖电池无内部N 怜 ft.恰好可以装进电池正极表中.这 步比K 爱小心.不爱使如帐提前推触到电*液.应该将 懵先对雅屯治克动埠.缎依超出恰了均匀K族 TS出之使用胫头滴管吸 取电解液,润现阳廉& 面，由于RH#是倩性H沾力的物峻.这时可以使M滴管 前端0轻裾解*整.使之更加平整.均匀,功绒9电池光接的更为产素.&m通处i股

10、的防破火火”片股置于隔膜 止中北小气注唾大后的陈习 网片的中性为15 8mm. 5 当恰好放于电池充中间.这是最迷的 步必维 次成功,内为Pt片和电解液,隔膑会产生枯阳.如 果敢不庶调整北常困毒.也就总叫;不此次然以电 池St戈的失口央取乐电制先于理片 匕严格时齐运个步界也忐要过什大量处力.与前眇不同的是, 这步的集电2s如果略似放偏.可以迎h小心的调 整s兴取伸费1；置于集电SI-产格时齐所有，货拓乜fit用假子操作.W不慎放偏.这步 也可以选打5调.此诃的步囊中.如果Sl；ft的依巴 使就出现偏空.描可以用双f各家一纪镶子.此合 进行轻微的调整.E了不便使用时可使用药9班亍天取依极光氏事无

11、需说明2O 4颗粒实验模拟电池的示意图 实验模拟电池所采用的模具示意图4、实验模拟电池的测试a.将待测的电池与测试仪器相连，注意避免正负极的短路。b.从微机上启动软件，确认已连接的通道。c.对各通道进行过程参数设置，要求分别用1C和2c两个电流进行充放电测d.启动通道进行测试。e. 一个循环后对所得数据进行处理。【数据记录与处理.充放电参数设置.模拟电池的首次充放电性能（容量-电压图.模拟电池的循环性能（循环次数-容量图.不同倍率的放电性能（容量-电压图【实验评注与拓展】1.几家公司的钮酸锂产品性能a北京当升锐酸锂MSL-15T具有致密的颗粒形貌以及低的比表面，优异的循环性能和高温存储性能优异，适 合HEV、EV及E-bike等电池正极材料b北京当开一一钮酸锂MSL-15R具有致密的颗粒形貌以及低的比表面，高温 存储性能优异，适合于对容量要求不高的手机电池和矿灯电池c中信国安盟固利钮酸锂LiMn2O4;质量比容量（Vs. Li/Li+115mAh/g压平台：3.6V;循环寿命1000的乡市华鑫能源材料股份有限公司 一一钮酸锂6放电平台：3.73.8V;放电容量：105115mAh/g；在高温55 c烘箱中1C充 电至4.2V;停30min, 1C放电至2.75V;循环300次，容量保持率80%;。2.主要正极材料性能参数比较【提问与思考】1.锂离子电