鋰離子模擬電池---組裝測(cè)試手冊(cè)_圖文

1、鋰電資訊增刊鋰離子模擬電池組裝測(cè)試手冊(cè)編者 王琦北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院目 錄知識(shí)背景與內(nèi)容簡(jiǎn)介. . . 3第1章 模擬電池部件的介紹. . . 41.1. 模擬電池的主要組件. 41.2. 部件的簡(jiǎn)單介紹. 41.2.1. 扣式電池殼.41.2.2. 正極片.51.2.3. 隔膜.61.2.4. 負(fù)極片.61.2.5. 集電器.71.2.6. 支撐片.71.2.7. 電解液.81.3. 部件介紹的總結(jié). 8第2章 模擬電池部件的制備. . . 92.1. 制備正極片. 92.1.1. 油性體系中制備正極片.92.1.2. 水性體系中制備正極片.102.2. 裁剪電極片. 102.3. 正極材料

2、含量的計(jì)算. 112.4. 裁剪隔膜. 11第3章 模擬電池的組裝. . . 12123.1. 手套箱內(nèi)組裝電池. 123.2. 手套箱內(nèi)壓制電池. 13第4章 模擬電池的測(cè)試. . . 14144.1. 電池測(cè)試系統(tǒng). 144.2. 電池測(cè)試的單位與參數(shù). 144.2.1. 容量性能的單位與參數(shù).144.2.2. 循環(huán)性能的單位與參數(shù).154.2.3. 倍率性能的單位與參數(shù).154.3. 測(cè)試電池參數(shù)的設(shè)置. 15知識(shí)背景與知識(shí)背景與內(nèi)容內(nèi)容內(nèi)容簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介隨著石油資源的日益匱乏，能源危機(jī)日益臨近。各國(guó)都在尋找降能耗、減排放的新途徑。由于電動(dòng)車可以極大的降低石油消耗，受到各國(guó)政府的普遍重視。電動(dòng)

3、汽車替代傳統(tǒng)汽車，已經(jīng)是不可逆轉(zhuǎn)的潮流。研制性能優(yōu)越的電動(dòng)車的動(dòng)力電池，是當(dāng)下發(fā)展電動(dòng)車的關(guān)鍵。鋰離子電池是指用兩種能夠可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極的二次電池。該類電池通過(guò)鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)來(lái)完成充放電，在此過(guò)程中，正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)隨充放電深度變化極小，可逆性良好。傳統(tǒng)的鋰離子電池一般采用鈷酸鋰作為正極材料，石墨作為負(fù)極材料，六氟磷鋰的有機(jī)溶液作為電解液，多孔薄膜作為隔膜。該類電池常用于消費(fèi)類電子器件，如手機(jī)，筆記本電腦，音樂(lè)播放器等，使用該類材料的電池大電流放電能力較弱。無(wú)法作為動(dòng)力電池的解決方案。1997年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)的Goodenough 教授率先報(bào)道磷酸鐵鋰材料

4、，該材料既有無(wú)毒、環(huán)保、安全性能優(yōu)異、比容量高的優(yōu)點(diǎn)；也有電導(dǎo)率低、鋰離子傳導(dǎo)率低的缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)科研工作者們的不懈努力，合成納米顆粒、表面碳包覆、正極摻碳等技術(shù)的應(yīng)用，最終成功制出了高性能的鋰離子電池，并且已經(jīng)成功用于電動(dòng)工具。鋰離子電池在電池的一致性、循環(huán)性能、功率性能、儲(chǔ)能性能都優(yōu)于傳統(tǒng)電池，但仍未達(dá)到電動(dòng)車的要求?，F(xiàn)階段的鋰離子電池價(jià)格高昂，仍需降低價(jià)格。因此，作為現(xiàn)階段性能最為優(yōu)越的電池，繼續(xù)研究改進(jìn)的空間仍然很大。需要大批的鋰電研究人員繼續(xù)努力！手冊(cè)簡(jiǎn)要介紹了鋰離子模擬電池的總體結(jié)構(gòu)和零部件的功能，介紹了兩種模擬電池正極片的制作方法。并且系統(tǒng)介紹了鋰離子模擬電池的組裝方法和測(cè)試方法。本

5、手冊(cè)完全免費(fèi)，希望可為祖國(guó)的電動(dòng)車大業(yè)略盡綿薄之力。由于編者水平所限，本手冊(cè)難免存在不足之處。歡迎同行人士批評(píng)指正。聯(lián)系方式如下：QQ QQ 342695326342695326342695326電郵電郵 wgqfiisinawgqfiisinawgqfiisina. com com第1章 模擬電池部件的介紹1.1. 模擬電池的主要組件表1.1. 模擬電池主要部件的名稱及簡(jiǎn)介部件名稱部件簡(jiǎn)介扣式電池殼CR2032、CR2016等型號(hào)的工業(yè)電池殼 正極片粉末狀磷酸鐵鋰粉末狀磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等材料的涂片或壓片 隔膜多孔的丙烯膜多孔的丙烯膜、聚乙烯等薄聚乙烯等薄膜膜 集電器與電池殼配套的圓形鋁片與電

6、池殼配套的圓形鋁片、銅片等 支撐片保持電池各部件良好接觸的彈簧片保持電池各部件良好接觸的彈簧片、泡沫鎳等 負(fù)極片鋰片鋰片、石墨粉等負(fù)極材料的薄片 電解液 六氟磷鋰的有機(jī)物溶液六氟磷鋰的有機(jī)物溶液、其他聚合物體系等1.2. 部件的簡(jiǎn)單介紹鋰離子模擬電池的組件一般都采用工業(yè)化的成熟產(chǎn)品，如工業(yè)的扣式電池殼；以及對(duì)現(xiàn)有工業(yè)材料進(jìn)行簡(jiǎn)單加工后使用，如將Celgard2400型號(hào)的多孔聚丙烯平板膜加工成直徑合適的圓片，便可作為鋰離子模擬電池的隔膜。下面簡(jiǎn)單介紹下各組件的特點(diǎn)和功能。1.2.1. 扣式電池殼鋰離子模擬電池組裝中，采用的電池殼為工業(yè)電池殼。常用工業(yè)扣式電池殼的型號(hào)有CR2032、CR2025

7、、CR2016等很多種。其他型號(hào)也有很多種，如BR3032。這類型號(hào)的電池殼在手冊(cè)所述的鋰離子模擬電池中并不常用，此處不作列舉。 圖1.1.CR2032扣式電池的正負(fù)極圖示扣式電池的正負(fù)極圖示，左為正極左為正極，右為負(fù)極鍵入文字北京工業(yè)大學(xué)材料物理與化學(xué)系一般使用CR2032型，如圖1.1。該類電池殼穩(wěn)定性、密封性良好，適用溫度為-20到70之間。工業(yè)上使用其作為商業(yè)化扣式鋰電池的外殼。具有價(jià)格便宜、組裝簡(jiǎn)易、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。在鋰離子電池材料的電化學(xué)性能表征中，經(jīng)常以此為外殼組裝模擬電池。研究鋰離子電池的科技人員，必須熟練掌握使用此類電池殼組裝模擬電池的技術(shù)。這類電池外殼型號(hào)開(kāi)頭的兩個(gè)英文字母

8、代表電池的適用體系。CR 和BR 開(kāi)頭的型號(hào)中，若開(kāi)頭英文字母為C ，代表電池是以鋰金屬為負(fù)極、二氧化錳為正極的體系；若開(kāi)頭英文字母如為B ，代表電池是Poly-carbonmonofluoride LithiumCoin Batteries體系，英文翻譯過(guò)來(lái)是“氟化碳聚合物鋰電池”。第二個(gè)字母都是R ，代表該類電池的外形為圓形（相應(yīng)的，此處字母如果為F ，代表電池為方形）。兩者都可用于鋰離子模擬電池組裝，實(shí)驗(yàn)室一般采用性能更為穩(wěn)定的CR 系列的扣式電池殼。英文字母后面為四個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字，如2032、2016等。這四個(gè)數(shù)可分為前后兩部分來(lái)解釋。前兩個(gè)數(shù)字指的是電池直徑的毫米數(shù)；后兩個(gè)數(shù)字除以10

9、，得到電池厚度的毫米數(shù)。以圖1.1中的CR2032為例，20指電池直徑為20mm ，32指電池厚度為3.2mm 。1.2.2. 正極片正極片是在鋁箔上涂布正極復(fù)合材料，切割成圓形使用。見(jiàn)圖1.2。正極復(fù)合材料涂層的組分如表1.2所示。 圖1.2. 正極片正極片（左）與鋁箔與鋁箔（右）的圓形切片圖表1.2. 正極正極復(fù)合材料的組分復(fù)合材料的組分正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等鋰離子電池正極材料 炭導(dǎo)電劑乙炔黑(AB、科琴導(dǎo)電炭黑、Super P、350G 等導(dǎo)電材料電極黏合劑 鋰電池中穩(wěn)定性良好的有機(jī)氟化物。如：聚偏氟乙烯-油性體系：即poly(vinylidene fluoride ，簡(jiǎn)稱P

10、VDF 體系；聚四氟乙烯-水性體系水性體系：即poly(fluortetraethylene，簡(jiǎn)稱PTFE 體系；可以采用涂布后壓片的方法制取正極電極片，有油性和水性兩個(gè)體系。 油性體系中，可將磷酸鐵鋰正極材料與N-甲基吡咯烷酮(NMP攪拌得到混合懸濁液，均勻涂布在鋁箔上，烘干后裁剪壓片；也可采用刮刀均勻涂布材料于鍵入文字 鋁箔上，再進(jìn)行烘干裁剪。 水性體系中，可將磷酸鐵鋰正極材料混合 PTFE 乳膠、導(dǎo)電碳黑，采用對(duì)輥 機(jī)壓制，得到均勻薄片，再進(jìn)行烘干裁剪。 兩個(gè)體系都會(huì)在第 2 章中詳細(xì)介紹。 1.2.3.隔膜 一般采用聚乙烯、聚丙烯的白色隔膜（圖 1.3 左） ，單層或多層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品 皆

11、可。這類膜上有著無(wú)數(shù)的納米級(jí)空隙（圖 1.3 右） ，雖然本身是絕緣材料，不 能傳導(dǎo)電子，但其空隙可允許鋰離子通過(guò)。使用時(shí)裁剪成圓形，直徑與扣式電池 正極殼的內(nèi)部直徑相等，這樣可以避免鋰離子從其邊緣直接漏過(guò)。 電池隔膜， 圖 1.3.Celgard2400 電池隔膜，及其微觀納米孔結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)室中通常都可以采用 Celgard2400 或 Celgard2500 型號(hào)的工業(yè)用聚丙烯 膜。 1.2.4.負(fù)極片 除非研究負(fù)極材料，模擬電池中都是采用金屬鋰片作為負(fù)極（圖 1.4） ，實(shí)際 使用可以滿足測(cè)試要求，在科技論文中很常見(jiàn)。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，且不易買到。 電池中采用的鋰片和模擬電池中配套的鋁片的直

12、徑相同。 CR2032 中便采 在 用直徑 15.8mm 的鋰片作為負(fù)極。 圖 1.4.金屬鋰負(fù)極片 金屬鋰負(fù)極片 6 鍵入文字 1.2.5.集電器 圓形鋁片， 半徑比電池殼略小 （圖 1.5） 如在 2032 電池中， 。 鋁片直徑為 15.8mm。 有多種常用的厚度，如 1mm 和 1.5mm。一般都可以使用在模擬電池中。實(shí)驗(yàn)室 中推薦使用厚度為 1mm 的鋁片。鋁片可與電池殼配套購(gòu)買使用。 圖 1.5.集電器示意圖 集電器示意圖 1.2.6.支撐片 一般為彈簧片（圖 1.7）或泡沫鎳（圖 1.8） ，可起到支撐電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作 用。 圖 1.7.彈簧片示意圖 彈簧片示意圖 圖 1.8.泡

13、沫鎳示意圖 泡沫鎳示意圖 在其支撐下，電池內(nèi)部部件的接觸緊密平坦，從而導(dǎo)電性良好。彈簧片和泡 沫鎳的支撐效果都可以滿足模擬電池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。二者各有所長(zhǎng)，使用彈簧片， 可以省去裁剪泡沫鎳的時(shí)間和工序；使用泡沫鎳，可以省去鋁片集電器，使組裝 電池的工藝更簡(jiǎn)單。 7 鍵入文字 彈簧片可與電池殼配套購(gòu)買，價(jià)格低廉；泡沫鎳的價(jià)格高昂，不易買到。 1.2.7.電解液 電解液指電池中傳導(dǎo)鋰離子的鋰鹽有機(jī)溶液。電解液不能傳導(dǎo)電子，但可作 鋰離子的傳導(dǎo)介質(zhì)，使鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回轉(zhuǎn)移。 實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，不僅有液態(tài)電解液，還有膠態(tài)和固態(tài)的聚合物鋰離子傳導(dǎo) 介質(zhì)。三者可統(tǒng)稱為鋰離子傳導(dǎo)電解質(zhì)。鋰鹽是鋰離子傳導(dǎo)的主

14、要作用成分，液 態(tài)電解液中，一般以將鋰鹽溶于兩種或多種的液態(tài)有機(jī)混合溶劑中，濃度一般都 為 1M。 常用鋰鹽主要有 LiPF6、LiClO4 等。常用的電解液有機(jī)溶劑主要有碳酸丙稀 酯(PC、碳酸乙烯酯(EC、碳酸二甲酯(DMC、碳酸二乙酯(DEC、甲乙基碳酸 酯(MEC等組成的二元或者三元的混合溶劑。 磷酸鐵鋰的電解液可以采用 EC：DEC=1：1(體積比混合作為溶劑，配制濃 度為 1M 的 LiPF6 溶液。 1.3.部件介紹的總結(jié) 部件介紹的總結(jié) 上述的部件一般都可以直接從廠家購(gòu)買，只有正極片需要自己進(jìn)行制作。研 究正極材料的科研人員，都應(yīng)該熟練地掌握所有部件的基本知識(shí)，尤其要掌握正 極

15、片的結(jié)構(gòu)和制作方法。本手冊(cè)的第二部分將簡(jiǎn)單介紹正極片的制作方法。 研究負(fù)極材料的科研人員，也有類似的測(cè)試體系和相應(yīng)的零件?？梢耘e一反 三，在此不做介紹。 8 鍵入文字 第 2 章 模擬電池部件的制備 2.1.制備正極片 正極片的制備工藝有油性和水性兩個(gè)體系，二者各有所長(zhǎng)。油系體系的模擬 電池放電容量大，循環(huán)性能好；水性體系的模擬電池的電極內(nèi)阻值低，倍率性能 更好。研究人員可根據(jù)具體的研究?jī)?nèi)容，確定選用的體系。 2.1.1.油性體系中制備正極片 表 2.1.油性體系的主要材料和主要設(shè)備 主要材料 主要設(shè)備 鋁箔、N-甲基吡咯烷酮(簡(jiǎn)稱 NMP、正極材料、導(dǎo)電炭黑、聚偏 二氟乙烯(分子式( CF2

16、-CH2 n，英文簡(jiǎn)稱 PVDF； 玻璃板、刮刀、裁片機(jī)(或打孔器、案板、烘箱、真空干燥箱，對(duì) 輥機(jī)(或壓片機(jī) 油性體系的主要材料和主要設(shè)備如表 2.1。正極片需要正極材料、導(dǎo)電炭黑、 PVDF 三個(gè)組分，配制時(shí)應(yīng)遵循特定的質(zhì)量比。 在磷酸鐵鋰測(cè)試中，可采用正極材料：炭黑：PVDF=80：10：10，以 N-甲 基吡咯烷酮為溶劑調(diào)制成均勻漿狀。這里的數(shù)值比是質(zhì)量比 質(zhì)量比，也可以選擇其他與 質(zhì)量比 此近似的質(zhì)量比。 說(shuō)明：一般正極材料的質(zhì)量比不應(yīng)低于 75，因?yàn)檎龢O材料比重太低則沒(méi)有 實(shí)際意義；炭黑和 PVDF 都不能低于 5，因?yàn)樘亢诒戎靥蜔o(wú)法保證正極的電導(dǎo) 率，粘結(jié)劑比重太低無(wú)法保證復(fù)合

17、材料粘結(jié)性能。調(diào)整質(zhì)量比需要大量的經(jīng)驗(yàn)積 累，應(yīng)該在保持導(dǎo)電性和材料的強(qiáng)度的前提下，盡量的提高正極材料的質(zhì)量比， 測(cè)出性能才令人信服。 混合與制片的步驟： 混合與制片的步驟： 1首先將 NMP 加入燒杯。若 NMP 用量少，可將適量的 PVDF 分成多份， 一次加入一份。建議每 0.1 克 PVDF 對(duì)應(yīng) 10 毫升 NMP。 說(shuō)明：每份 PVDF 都應(yīng)注意控制用量，加入量盡可能的少(少量多次。并且 要注意：等待加入的 PVDF 溶完后，再加入下一份。 在攪拌的過(guò)程中，可以加熱促進(jìn) PVDF 的溶解。為了避免加熱過(guò)程中 NMP 揮發(fā)過(guò)多，可以使用保鮮膜等進(jìn)行密封覆蓋。一般每份 PVDF 加入后

18、，后續(xù)攪拌 都需要一小時(shí)左右，分的批數(shù)越多，溶解越均勻，質(zhì)量自然也就越好。最后得到 的應(yīng)該是均一透明的溶液。 說(shuō)明：該過(guò)程在空氣中完成。由于 NMP 會(huì)被烘干除去，此處對(duì)其使用量并 無(wú)嚴(yán)格要求，加入量足夠調(diào)制成均勻漿狀即可。但溶劑不可加入過(guò)多，過(guò)稀的漿 料難以制片。采用不同的正極材料質(zhì)量比，不同的正極材料，不同的粘結(jié)劑等都 對(duì)溶劑的種類和用量要求不同，建議每次都記下使用量，以便于積累經(jīng)驗(yàn)。 最后將正極材料和導(dǎo)電炭黑緩慢加入，二者的加入次序無(wú)嚴(yán)格要求。攪拌 9 鍵入文字 4-8 小時(shí)得到均勻的黑色漿狀物。 2將漿狀物置于鋁箔之上，采用刮刀將其均勻涂布成片狀，均勻的附著于 鋁箔表面。 說(shuō)明：如果實(shí)

19、驗(yàn)室中每次實(shí)驗(yàn)制取的正極材料的量都比較少，很難找到合適 的混勻和球磨的裝置，可以在表面皿、研缽、甚至鋁箔上直接手動(dòng)混勻，為了做 到足夠均勻，最好多加一點(diǎn)溶劑。如果有 1g 或者更多的材料，才可以進(jìn)行磁力 攪拌混勻。 說(shuō)明：采用的刮刀的規(guī)格因正極材料而異。不同規(guī)格的刮刀可以制成不同厚 度的涂層，涂層的厚度決定了含有的正極材料的重量。通過(guò)這些參數(shù)測(cè)算其電化 學(xué)性能，如 mAh/g 等。一般可以制取 15-60 微米的涂層，數(shù)值可因具體正極材 料、電池測(cè)試系統(tǒng)的量程而異。這里沒(méi)有數(shù)字上的嚴(yán)格要求，可準(zhǔn)確稱量出復(fù)合 材料的質(zhì)量即可。 3制成的正極材料涂層放于烘箱中，以 60-80烘干 4-8h。烘干完

20、成后移 入真空干燥箱中，以 120-140真空干燥 8-12h。 說(shuō)明：這個(gè)過(guò)程需要嚴(yán)格執(zhí)行干燥，去除所有的 NMP 溶劑。如果在涂布的 過(guò)程中使用的 NMP 的量較多，必須先進(jìn)行普通烘干，再進(jìn)行真空干燥。 4干燥后鋁箔的壓片 采用對(duì)輥機(jī)或壓片機(jī)壓制。 說(shuō)明：涂布后，干燥出的復(fù)合材料涂層比較疏松。若直接使用，被電解液浸 潤(rùn)后容易脫落損壞?？刹捎脤?duì)輥機(jī)或者壓片機(jī)等進(jìn)行壓片處理，對(duì)輥機(jī)一般可將 正極片涂層壓制到 15-60m。壓片機(jī)可以采用大約 80-120kg/cm2 壓強(qiáng)進(jìn)行壓制。 壓片后的電極，穩(wěn)定性、牢固性以及電化學(xué)性能都獲得了改善，測(cè)試表現(xiàn)要好于 不壓片的樣本。 2.1.2.水性體系中制

21、備正極片 水性體系中制備正極片 水性體系的正極片制法與油性體系的步驟類似，主要材料和主要設(shè)備如表 2.2。 表 2.2.水性體系的主要材料和主要設(shè)備 主要材料 主要設(shè)備 鋁箔、去離子水、正極材料、導(dǎo)電炭黑、聚四氟乙烯(分子式 ( CF2-CF2 n，英文簡(jiǎn)稱 PTFE； 裁片機(jī)(或打孔器、案板、烘箱、真空干燥箱，對(duì)輥機(jī)(或壓片機(jī) 將正極活性物質(zhì)粉末、乙炔黑導(dǎo)電劑、聚四氟乙烯乳液粘結(jié)劑按質(zhì)量比： ：的比例混勻，在對(duì)輥機(jī)上碾壓而成厚約 0.1mm 的薄膜。 獲得平整薄膜后，將其鋪于平整的鋁箔上。再次在對(duì)輥機(jī)上碾壓，獲得正極 材料的對(duì)輥壓片。烘干以及真空干燥后，裁片使用。 2.2.裁剪電極片 推薦方

22、法： 推薦方法：條件較好的實(shí)驗(yàn)室可配備機(jī)械裁片機(jī)，機(jī)械裁剪得到的正極片外 形規(guī)整，圓如滿月。同批次的正極片的質(zhì)量、半徑等參數(shù)穩(wěn)定，易于進(jìn)一步求算 10 正極材料質(zhì)量。因此，推薦實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買機(jī)械裁片機(jī)。機(jī)械裁片機(jī)操作簡(jiǎn)便，在此不多做介紹。其他方法其他方法：如實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有裁片機(jī)，可選用手動(dòng)打孔器代替。常用的打孔器類似管狀，是一系列不同直徑的，帶有鋒利邊口的特種不銹鋼管?？梢詫⒈淮蚩椎钠桨鍫罨蛘吣畈牧戏庞诎赴迳?，將打孔器管口對(duì)準(zhǔn)打孔位置，使用錘子輕輕一敲，便可在材料上可打下一個(gè)孔。管口處得到的圓形材料便是成品。說(shuō)明：采用打孔器的口徑一般不能大于鋰片的半徑。這樣的正極片在電池中才能較好的進(jìn)行充放電，不會(huì)

23、因?yàn)闃O片的邊緣部分與負(fù)極距離太遠(yuǎn)產(chǎn)生極化，使實(shí)測(cè)容量比實(shí)際容量小。CR2032電池體系中，采用的集電器直徑為15.8mm ，我們與之配套的鋰片負(fù)極直徑通常也是15.8mm 。正極片的直徑應(yīng)該等于或小于此直徑。使用錘子敲擊時(shí)，應(yīng)注意力度，以免切下來(lái)的材料被反作用力崩入鋼管，難以取出。這個(gè)需要經(jīng)驗(yàn)積累，應(yīng)多做幾次上手。一般可選用軟硬適中、強(qiáng)度較大、化學(xué)惰性高的案板材料。符合該類條件的材料皆可制成案板，如特氟龍案板。如果沒(méi)有在前面的步驟中未曾進(jìn)行壓片處理如果沒(méi)有在前面的步驟中未曾進(jìn)行壓片處理，則可以在此處進(jìn)行壓片則可以在此處進(jìn)行壓片。這主要看實(shí)驗(yàn)室擁有的設(shè)備條件主要看實(shí)驗(yàn)室擁有的設(shè)備條件，一般實(shí)驗(yàn)室

24、配置的壓片機(jī)都是可以壓制圓片的一般實(shí)驗(yàn)室配置的壓片機(jī)都是可以壓制圓片的，在這里進(jìn)行壓在這里進(jìn)行壓片也非常合適片也非常合適片也非常合適。2.3. 正極材料含量的計(jì)算經(jīng)過(guò)上述步驟，我們已經(jīng)制得復(fù)合正極片。如何計(jì)算里面活性材料的含量呢？推薦方法推薦方法：使用機(jī)械制備出的鋁箔，批次穩(wěn)定。直接對(duì)空白鋁箔裁片稱重，然后將實(shí)驗(yàn)中得到正極片質(zhì)量與該質(zhì)量取差值，則得到正極材料的質(zhì)量。操作簡(jiǎn)單明晰，易于掌握。其他方法其他方法：如果使用打孔器裁剪，可直接從鋁箔上打孔。將取得的鋁箔稱重，得到鋁箔的重量。但手動(dòng)打孔不夠精密，僅僅稱量一個(gè)鋁箔顯然不夠準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的說(shuō)服力也不足?？梢圆捎眠B續(xù)打下數(shù)個(gè)，分別稱量，取平均值的辦法

25、，可以得到較為準(zhǔn)確的數(shù)字。打孔器都采用特種鋼材制作，硬度很高，多次使用后磨損也較小。因此該鋁片重量的數(shù)值可以再后續(xù)實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)使用。將復(fù)合正極片進(jìn)行稱重，減去鋁箔的質(zhì)量，便是復(fù)合正極材料的質(zhì)量，可以根據(jù)復(fù)合材料中三者的質(zhì)量比換算出正極材料(如磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等 的凈重和物質(zhì)的量。2.4. 裁剪隔膜隔膜應(yīng)該可以恰好裝入電池殼，要求整體平整、形如滿月、邊緣圓滑，恰好可以和電池殼的內(nèi)壁緊密貼合。推薦采用直徑為20mm 的機(jī)械裁片機(jī)的機(jī)械裁片機(jī)，可以輕易獲得質(zhì)量穩(wěn)定的隔膜圓片可以輕易獲得質(zhì)量穩(wěn)定的隔膜圓片。 隔膜的其他裁剪方法也有很多種，如下：1. 用打孔器制取合適的切片，操作與極片的打孔切割一致；2.

26、 采用鋒利的刀片比對(duì)電池殼的邊緣，手動(dòng)切割隔膜。第3章 模擬電池的組裝模擬電池的組裝一般分兩大步模擬電池的組裝一般分兩大步：手套箱內(nèi)組裝手套箱內(nèi)組裝、手套箱內(nèi)壓制手套箱內(nèi)壓制。該步驟必須在手套箱內(nèi)完成。原因在于鋰離子電池中所用的電解液中的鋰鹽化學(xué)活性高，在空氣中容易與氧氣和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而失效。手套箱是將高純惰性氣體充滿箱內(nèi)，通過(guò)惰性氣體不間斷的循環(huán)，以及化學(xué)觸媒持續(xù)過(guò)濾的方法，除去箱內(nèi)的氧氣、水蒸氣等各種活性物質(zhì)。保持內(nèi)部惰性氣氛的設(shè)備。屬于精密設(shè)備，是鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)志性設(shè)備之一。英文名為glove box。3.1. 手套箱內(nèi)組裝電池 表3.1. 手套箱組裝電池的必備物品手套箱內(nèi)必

27、備物品壓片機(jī)(最好帶數(shù)顯 、鑷子2把、藥匙1把、電解液、鋰片、磨口玻璃瓶(配膠頭滴管 、干燥紙巾、棉球等清潔用品； 手套箱外準(zhǔn)備物品扣式電池殼、集電器、彈簧片（或泡沫鎳）、正極片、隔膜片； 注：容量較大的手套箱可事先這些存儲(chǔ)電池部件，更清潔（圖3.1）較為新式的手套箱一般都有數(shù)顯檢測(cè)儀，可以清楚的看出手套箱內(nèi)的壓強(qiáng)數(shù)值以及水蒸氣、氧氣等干擾氣體的PPM 值。如果沒(méi)有類似儀器，則應(yīng)該采用五氧化二磷進(jìn)行化學(xué)除水；采用變色硅膠指示手套箱內(nèi)的含水情況；采用活潑的堿金屬進(jìn)行化學(xué)除氧。將所有原料入箱前，先按照操作規(guī)程打開(kāi)真空泵。原料入進(jìn)箱艙門(mén)后，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行排氣-進(jìn)氣操作，至少三次。建議在手套箱內(nèi)

28、專門(mén)放一塊打磨邊角的玻璃作為操作區(qū)，以防試劑腐蝕手套箱。電解液對(duì)于手套和手套箱內(nèi)壁的腐蝕比較嚴(yán)重，應(yīng)該盡量避免操作失誤。組裝電池的過(guò)程，都在已經(jīng)嚴(yán)格進(jìn)行了排氣-進(jìn)氣操作的手套箱中，嚴(yán)格隔絕任何可能的氧化、潮濕等干擾。模擬電池的層堆次序如下兩種（由下至上）：|正極殼|正極片|電解液|隔膜|電解液|鋰片|集電器|彈簧片|負(fù)極殼|正極殼|正極片|電解液|隔膜|電解液|鋰片|泡沫鎳|負(fù)極殼|此次序嚴(yán)格按照電池的原理設(shè)計(jì)，與工業(yè)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)相一致。具體的組裝步驟參見(jiàn)下面的表3.2。表3.2. 鋰離子模擬電池組裝步驟步驟描述步驟說(shuō)明 1 正極殼開(kāi)口面向上，平放于玻璃板上無(wú)需說(shuō)明 2 用將正極片置入正極

29、殼，正極片位于正中 用鑷子小心夾取正極片，將涂布層向上，放于正極殼的正中間。這一步驟應(yīng)該反復(fù)練習(xí)，確保鑷子夾取的力度合適，不會(huì)損傷正極片，嚴(yán)防彎折或者扭曲正極片，保持平整的放在正極殼中3 采用膠頭滴管吸取電解液，浸潤(rùn)正極片表面 用極細(xì)的玻璃滴管酌量吸取電解液，此過(guò)程以完整均勻的潤(rùn)濕電極片表面為目標(biāo)。注意在潤(rùn)濕的過(guò)程中，玻璃滴管和電極片一定不能碰觸4 夾取隔膜，覆蓋正極片 用鑷子夾取隔膜，由于裁剪的隔膜和電池殼內(nèi)部直徑一致，恰好可以裝進(jìn)電池正極殼中。這一步尤其要小心，不要使隔膜提前接觸到電解液，應(yīng)該將隔膜先對(duì)準(zhǔn)電池殼邊緣，緩緩?fù)顺鲨囎?，均勻覆蓋而下5 再次使用膠頭滴管吸取電解液，潤(rùn)濕隔膜表面。

30、由于隔膜是惰性且潔凈的物質(zhì)，這時(shí)可以使用滴管前端輕輕碰觸隔膜，使之更加平整，均勻，邊緣與電池殼接觸更為嚴(yán)密。盡量避免隔膜的褶皺6 夾取鋰片放置于隔膜正中 此步驟需要大量的練習(xí)。鋰片的半徑為15.8mm ，應(yīng)當(dāng)恰好放于電池殼中間，這是最難的一步，必須一次成功。因?yàn)殇嚻碗娊庖?、隔膜?huì)產(chǎn)生粘附，如果放不準(zhǔn)，調(diào)整非常困難。也就意味著此次模擬電池組裝的失敗7 夾取集電器置于鋰片上，嚴(yán)格對(duì)齊 這個(gè)步驟也需要進(jìn)行大量練習(xí)，與前一步不同的是，這一步的集電器如果略微放偏，可以進(jìn)行小心的調(diào)整8 夾取彈簧片置于集電器上，嚴(yán)格對(duì)齊 所有步驟都盡量用鑷子操作。如不慎放偏，這一步也可以進(jìn)行微調(diào)。此前的步驟中，如果部件的

31、放置位置出現(xiàn)偏差，都可以用雙手各拿一把鑷子，配合進(jìn)行輕微的調(diào)整，鑷子不方便使用時(shí)，可使用藥匙9 鑷子夾取負(fù)極殼覆蓋 無(wú)需說(shuō)明3.2. 手套箱內(nèi)壓制電池用鑷子夾起完成的電池(注意：鑷子應(yīng)夾緊，保證此時(shí)不發(fā)生漏液、內(nèi)部滑移等現(xiàn)象 。置入壓片機(jī)前，采用紙巾擦凈電池表面。講電池以鑷子夾緊，正極朝上置入壓片槽。采用1500N/cm2的壓強(qiáng)壓制電池。壓制五秒鐘即可松開(kāi)壓片機(jī)油閥，取出成品電池。將電池在室溫下貯存12h ，以備電池測(cè)試。第 14 頁(yè) 共 16 頁(yè)第4章 模擬電池的測(cè)試4.1. 電池測(cè)試系統(tǒng)電池測(cè)試系統(tǒng)所需儀器是電池充放電測(cè)試儀電池充放電測(cè)試儀電池充放電測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)的功能

32、：在人工設(shè)定的特定電學(xué)參數(shù)下（如電流、電壓、毫安時(shí)、放電倍率、放電功率等）對(duì)電池進(jìn)行充電-放電測(cè)試，全程記錄充電-放電的過(guò)程中不同電學(xué)參數(shù)的變化，并自動(dòng)繪制相應(yīng)曲線關(guān)系圖的儀器。該儀器可檢測(cè)電池的放電能力、做功能力、充電速度等多種性能，是鋰離子模擬電池測(cè)試的必需儀器。與手套箱一樣，該儀器屬于鋰離子電池實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)志性儀器。常用的電池測(cè)試儀器有很多種，國(guó)內(nèi)有深圳恒翼能、深圳新威、武漢金諾、廣州擎天等很多家，都可滿足實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)測(cè)試需求。國(guó)外儀器如美國(guó)的Arbin 系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)電池測(cè)試系統(tǒng)精度一般可達(dá)千分之二以上，精密度相對(duì)較低。但也完全可以滿足實(shí)驗(yàn)和工業(yè)電池測(cè)試的需求。國(guó)外的電池測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格高昂，不

33、適合大批量購(gòu)買。建議日常的電池測(cè)試中采用國(guó)內(nèi)儀器。如Journal of Power Sources等在國(guó)際上具有較大影響力的雜志，也認(rèn)可大部分國(guó)內(nèi)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)。做電池的精密電學(xué)研究，例如測(cè)試電池的脈沖，則建議引進(jìn)國(guó)外精密儀器。這些測(cè)試不常見(jiàn)，這里不做介紹。本手冊(cè)只介紹電池測(cè)試的基本單位與參數(shù)以及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。電池測(cè)試系統(tǒng)的具體操作方法請(qǐng)讀者自行參閱相應(yīng)的操作說(shuō)明書(shū)。4.2. 電池測(cè)試的單位與參數(shù)4.2.1. 容量性能的單位與參數(shù)電池容量是電池的重要性能指標(biāo)之一，日常說(shuō)法是能存儲(chǔ)多少電量。電池容量的單位是毫安時(shí)每克（英文簡(jiǎn)稱mAh/g），工業(yè)上叫做克容量。物理意義是：每克電池活性材料中所含

34、電量的mAh 數(shù)。mAh 具體物理意義為：以1mA 的電流持續(xù)穩(wěn)定一小時(shí)，電路中流過(guò)的電量。毫安時(shí)是電量的單位之一，相當(dāng)于3.6庫(kù)倫。電池在放電電流越小，電池放電過(guò)程中的極化現(xiàn)象越微弱，越容易達(dá)到理論容量值。因此，測(cè)試電池的容量性能時(shí)，應(yīng)該將電流適當(dāng)?shù)恼{(diào)小。具體方法會(huì)在后面的4.3. 章里詳細(xì)講述。第 15 頁(yè) 共 16 頁(yè) 4.2.2. 循環(huán)性能的單位與參數(shù)電池的循環(huán)性能主要由三個(gè)指標(biāo)衡量：循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)、首次放電容量首次放電容量、保留容量保留容量。 電池連續(xù)重復(fù)進(jìn)行多次的充電-放電的行為稱為循環(huán)充放電，電池循環(huán)充放電的次數(shù)稱為循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)；電池的放電容量是指電池在完全充滿電之后，可以放出的電量。電池進(jìn)行第一次充電-放電測(cè)試時(shí)，電池獲得的放電容量稱為首次放電容量首次放電容量首次放電容量；保留容量保留容量是指電池完成一定次數(shù)