鋰離子模擬電池組裝和測試PPT通用課件

1、鋰離子模擬電池組裝和測試目 錄二、模擬電池部件的制備一、模擬電池部件的介紹三、模擬電池的組裝四、模擬電池的測試一、模擬電池部件的介紹模擬電池的主要組件負(fù)極片隔膜正極片鋰離子模擬電池泡沫鎳表1.2.正極復(fù)合材料的組分1.1 正極復(fù)合材料1.3.隔膜 一般采用聚乙烯、聚丙烯的白色隔膜（圖左），單層或多層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品皆可。這類膜上有著無數(shù)的納米級空隙（圖右），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。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。實(shí)驗(yàn)室中通常都可以采用Celgard2400 或Celgard2500 型號的工業(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，電池中采用的鋰片和模擬電池中配套的鋁片的直徑相同。在CR2032 中便采用直徑15.8mm 的鋰片作為負(fù)極。1.5 集電器圓形鋁片，半徑比電池殼略小。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買使用。彈簧片示意圖泡沫鎳1.6 支撐片 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，使用彈簧片，可以省去裁剪泡沫鎳的時(shí)間和工序；

3、使用泡沫鎳，可以省去鋁片集電器，使組裝電池的工藝更簡單。1.7 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

4、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。二、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：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)具體的研究內(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)備在磷酸鐵鋰測試中，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，也可以選擇其他與此近似的質(zhì)量比?；旌吓c制片的步驟：1首先將N

5、MP 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 對應(yīng)10 毫升NMP。最后將正極材料和導(dǎo)電炭黑緩慢加入，二者的加入次序無嚴(yán)格要求。攪拌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。4干燥后鋁箔的壓片，采用對輥機(jī)或壓片機(jī)壓制。電動軋機(jī)MR-03D3制成的正極材料涂層放于烘箱中，以60-80烘干4-8h。烘干完成后移入真空干燥箱中，以120-140真空干燥8-12h。52升真空可編程干燥箱DZF-60502.1.2.水性體系中制備正極片表 2.2.水性體系的主要材料和主要設(shè)備 將正

6、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8：1：1的比例混勻，在對輥機(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。再次在對輥機(jī)上碾壓，獲得正極材料的對輥壓片。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)一步求算正極材料質(zhì)量。因此，推薦實(shí)驗(yàn)室購買機(jī)械裁片機(jī)。2.3.正極材料含量的計(jì)算推薦方法： 使用機(jī)械制備出的鋁箔，批次穩(wěn)定。直接對空白鋁箔裁片稱重，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

7、簡單明晰，易于掌握。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)，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. 采用鋒利的刀片比對電池殼的邊緣，手動切割隔膜。手動沖壓機(jī)BK-12三、模擬電池的組裝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)壓制。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

8、殼|正極殼|正極片|電解液|隔膜|電解液|鋰片|泡沫鎳|負(fù)極殼|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，以備電池測試。3.2.手套箱內(nèi)壓制電池小型液壓紐扣電池封裝機(jī)BFZ-110四、模擬電池的測試4.1.電池測試系統(tǒng)電池容量是電池的重要性能指標(biāo)之一，日常說法是能存儲多少電量。電池容量的單位是毫安時(shí)每克（英文簡稱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

9、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)，電路中流過的電量。毫安時(shí)是電量的單位之一，相當(dāng)于3.6 庫倫。圖 Li2Ru0.5Co0.5O3電極前三次充放電曲線4.2 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)、首次放電容量、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)；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-放電測試時(shí)，電池獲得的放電容量稱為首次放電容量；保留容量是指電池完成一定次數(shù)的循環(huán)充放電之后，電池依舊保持的的放電容量；一般至少循環(huán)一百次之后，得到的

10、循環(huán)性能的數(shù)據(jù)才有說服力。循環(huán)次數(shù)相同的情況下，保留容量與首次放電容量的比值越大，電池的循環(huán)性能就越好。圖 Li2Ru0.5Co0.5O3材料的循環(huán)性能曲線4.3 倍率性能的單位與參數(shù)電池倍率性能的單位是充電/放電倍率（也有論文稱作充電/放電比率），英文簡稱為C。無論充電還是放電，倍率性能的衡量指標(biāo)都是C。測電池倍率性能時(shí)，常常會提到nC 倍率充電/放電。n 是指在一小時(shí)內(nèi)完成充電/放電的次數(shù)，其倒數(shù)便是完成一次充電/放電的小時(shí)數(shù)。例如5C 倍率放電，指一小時(shí)循環(huán)充電/放電5 次，或者說完成一次充電/放電需要0.2 小時(shí)。n 值越大，充電/放電的倍率越高。以磷酸鐵鋰為例，其理論容量值為170m

11、Ah/g，假如電池中含有1mg 磷酸鐵鋰，其容量為理論容量。對此電池做1C 倍率放電的方法：首先設(shè)定充電電流和放電電流借為0.17mA，如果材料的實(shí)際充電容量與放電容量皆可達(dá)到理論容量值，則一小時(shí)就可完成一次充電或放電。如果設(shè)定充電電流為17mA，6 分鐘就可完成一次充電，再設(shè)定放電電流為17mA，6 分鐘就可以完成一次放電，此時(shí)為10C 倍率。這里介紹一個(gè)簡單的電流設(shè)置換算方法，假設(shè)正極片中含有純磷酸鐵鋰m 毫克，進(jìn)行nC 倍率充放電測試時(shí)，充電/放電流都要設(shè)置為：0.17mn 毫安。圖 Li2Ru0.5Co0.5O3電極在不同倍率下的循環(huán)性能圖 電極可逆性的判斷 循環(huán)伏安法中電壓的掃描過程

12、包括陰極與陽極兩個(gè)方向，因此從所得的循環(huán)伏安法圖的氧化波和還原波的峰高和對稱性中可判斷電活性物質(zhì)在電極表面反應(yīng)的可逆程度。4.4 循環(huán)伏安若反應(yīng)是可逆的，則曲線上下對稱，若反應(yīng)不可逆，則曲線上下不對稱。循環(huán)伏安法是指在電極上施加一個(gè)線性掃描電壓，以恒定的變化速度掃描，當(dāng)達(dá)到某設(shè)定的終止電位時(shí)，再反向回歸至某一設(shè)定的起始電位，循環(huán)伏安法電位與時(shí)間的關(guān)系為（見圖a）圖a實(shí)驗(yàn)原理若電極反應(yīng)為Oe R，反應(yīng)前溶液中只含有反應(yīng)粒子O、且O、R在溶液均可溶，控制掃描起始電勢從比體系標(biāo)準(zhǔn)平衡電勢 正得多的起始電勢i處開始勢作正向電掃描，電流響應(yīng)曲線則如圖b所示。圖b圖1 （a）Li1.40Mn2.0O4薄膜材料不同掃描速率下的