锂离子电池制作、表征和性能测试综合实验指导书

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、钴酸锂、锰酸锂和三元材料；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，其结构示意图如图1所示：

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5~10 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（Land）、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、锰酸锂、钴酸锂或者三元材料，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），正极集流体用铝箔，负极集流体用铜箔，导电剂用乙炔黑，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)和导电添加剂乙炔黑（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-甲基吡咯烷酮（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150μm），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中，110℃烘干12h后，用冲片机将电极片冲成Φ=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60℃，烘干4h。

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60℃真空烘箱中烘干4h。

3、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。

图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2.0~3.8V。

半电池：负极和锂片，电位区间为0~2.5V。

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0.1C→0.5C→1C→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钴酸锂还是磷酸铁锂？

1.成品电池的性能测试

在25℃、~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电流恒流充电至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：

https://www.360docs.net/doc/0e1523573.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

社, 2008

[2] 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 the future[J]. J Power Sources, 2001, 100(1- 2): 101- 106.

[4] 翁二娣, 张超明, 谢远军, 等. 提高扣式锂离子蓄电池容量研究[J]. 电源技术, 2002, 26(6): 426- 433.

[5] 张勇, 武行兵, 王力臻. 扣式锂离子电池的制备工艺研究[J].电池工业，2008,13（2）:86-90.