技能｜实验室扣式电池组装实验手册

1，扣式电池基本先容

2，扣式电池的组装准备

3，扣式电池的组装

4，扣式电池制备中的把稳事变

5，扣式电池的充放电测试方法

6，扣式电池基本数据剖析

7，测试过程常见问题解析

锂离子扣式电池紧张由以下几部分组成：正极壳、负极壳、（正/负）极片、隔膜、垫片、弹片、电解液。
（如图1）

图1 全扣电制作示意图：(a)两层Celgard隔膜；(b)单层BMF隔膜。

常用的正规的商品扣式电池CR2032中的C表示正极是MnO2,还有BR系列，B表示正极是氟化碳。
C或者B代表扣电体系，R代表电池形状为圆形。
前两位数字为直径（单位 mm），后两位数字为厚度（单位 0.1 mm），取两者的靠近数字。
例如 CR2032 的大致尺寸为直径 20 mm，厚度 3.2 mm。

1.1 电池壳

下图为CR2032扣式电池电池壳，正极壳较大，负极壳为表面有网状构造且较小，以是一样平常组装过程从负极壳开始。

图2 CR2032扣式电池正极壳（左），负极壳（右）

1.2 极片

极片的制备工艺对电化学性能能否充分发挥有主要影响，我们会在2.1中重点讲解，此处简要先容。
下图为正极材料所制备的极片。

图3 正极片（左）与铝箔（右）

锂离子电池极片的正、负极集流体分别为铝箔和铜箔。
如果选用单面光滑的箔材，每每在粗糙面上进行涂布，以增加集流体与材料之间的结合力。
箔材的厚度哀求不严格，但对箔材的面密度均匀性有比较高的哀求。
硅基负极材料一样平常选用涂碳铜箔以提高黏附性，降落打仗电阻，以增加测试结果的重现性，提高充放电循环性能

注：什么样的极片才是好极片？

该当知足这几方面：①浆料涂布均匀，不雅观察不到明显的厚度不屈均，特殊薄的地方乃至能不雅观察到亮色的铝箔；②极片保持完全圆形未受破坏，周围只管即便没有毛刺；③极片涂布区域没有颗粒物并且没有明显的掉粉征象。

1.3 隔膜

实验室所用隔膜一样平常为Celgard2400或者Celgard系列其他产品，冲压成小圆片后利用，直径略大于正负极极片。
可以根据电池性能哀求不同选择隔膜，关于隔膜的选择和参数，请见后期关于锂电池隔膜的选择以及参数意义的先容。

注：隔膜的浸染是什么呢？

大略的说，如果没有隔膜，正负极就直接打仗，也便是会发生短路，这也便是为什么有的电池中要抑制锂枝晶的产生，便是防止其刺破隔膜，引起局部短路，而造成安全事件。
隔膜一样平常采取聚乙烯等高分子材料，不导电，其构造中有许多微孔，许可锂离子通过。

1.4 锂片（即负极片）

负极片直径略小于负极壳直径，CR2032的锂片直径为15.8mm，实验室常采取直径为14mm（对应CR2032 扣式电池）冲口模具冲正极片。

值得把稳的是：锂片比较优柔，随意马虎变形，以是在装电池前可以用正极壳（由于它比较大）将变形的锂片压平整。
而且金属锂在空气中极易氧化变质，遇水随意马虎爆炸，以是购买回来的金属锂片须要在手套箱中打开，打开时把稳，不要破坏手套。

图4 适宜CR2032电池利用的金属锂片

1.5 垫片

垫片为圆形的铝片，直径与锂片大小一样，实验中，可以根据需求购买不同规格和厚度等。

把稳：垫片、正负极壳等组件，在利用前要用酒精反复超声洗濯，然后鼓风干燥箱烘干

图5 垫片

1.6 弹片（支撑片）

弹片紧张是起到支撑电池的浸染，如果没有弹片，在压电池的步骤中会把电池压的很扁，内部组件可能被压坏。
弹片只在负极侧加，但是若正负极都加了弹片，压电池步骤中不能将扣电封闭，导致电解液与空气打仗，而实验失落败。

图6 弹片（支撑片）

1.7 电解液

不同的材料一样平常对应不同的电解液，在进行时实验时千万不要图省事姑息，小批量的电解液可以找公司索要，一样平常都会给。
个别分外的电解液，如低温电解液等，可能须要购买，价格还不低。

1.8 材料的选择

正负极活性材料一样平常为粉末材料，颗粒尺寸应不宜过大以便于均匀涂布，同时避免由于颗粒较大导致测试结果受到材料动力学性子的限定以及造成的极片不屈均性问题。

用于实验室研究的正负极材料一样平常最大颗粒直径（Dmax）不超过50μm，工业运用的锂电材料的Dmax一样平常小于30μm。
大颗粒、团圆体或者纳米级别的材料，每每经由过筛或者研磨处理。
锂电池常用导电剂为碳基导电剂，包括乙炔黑（AB）、导电炭黑、Super P、350G等导电材料。
常用黏结剂体系包括聚偏氟乙烯-油性体系[即poly(vinylidene fluoride)，PVDF体系]以及聚四氟乙烯-水性体系[即poly(fluortetraethylene)，一样平常为乳液，简称PTFE 体系]，SBR（丁苯橡胶）乳液等。
油系溶剂常采取NMP（N-甲基吡咯烷酮）等

2.1 正极片的制备

实验室极片制备过程一样平常分为混料和涂覆两个过程。
个中混料工艺包括手工研磨法和机器混浆法，涂覆工艺是手工涂覆和机器涂覆。

进行混料时，依据供料的多少来确定采取手工研磨法或机器混浆法，如活性材料的质量在0.1～5.0g时建议采取手工研磨法，活性材料的质量超过5.0g时，建议采取混料机进行混料。
实验室中每次混浆量有限，常采取手工涂覆，当浆料足够时可采取小型涂覆机。
全体极片制作过程须要在干燥环境下进行，所用材料、设备都须要保持干燥

图7 手工混料涂覆流程

图7为手工混料涂覆方法制备极片过程，包括前期材料制备、活性材料和导电剂的称取和研磨、添加黏结剂、浆料研磨、手工涂布极片、极片干燥等过程。
机器混浆过程中，则包含材料准备、仪器准备、配置黏结剂浆料、加入导电添加剂、配置浆料、加入电极材料配置浆料，涂布以及极片烘烤等步骤（图8）。

值的把稳的是需先将黏结剂（如PVDF）加入溶剂NMP中，在50 ℃以下搅拌至PVDF完备溶解，然后根据浆料配制比例再进行进行配比。
在混料过程中要将黏在壁上的材料取下并混入浆中，避免由于比例失落真而造成打算材料比例时涌现偏差。
混浆过程韶光过短或过长、浆料不匀或过细都会影响到极片整体质量和均匀性，并直接影响材料电化学性能发挥及对其的评价。

图8 机器混料、手工涂覆流程

2.1.1 浆料的制备（以磷酸铁锂为例）。

溶剂

正极材料

导电剂

粘结剂

N-甲基吡咯烷酮（NMP）

磷酸铁锂

Super P

聚偏二氟乙烯（PVDF）

浆料由溶剂、正极材料、导电剂和粘结剂组成。
实验室制备极片时，混料比例和步骤依据测试材料及混料工艺的不同而有差别。
如常见的石墨负极极片中，CMC（羧甲基纤维素钠）的含量一样平常低于10%，SBR的含量一样平常低于10%，导电添加剂的含量一样平常低于10%（高倍率电池除外）。
而在硅基负极材料中，考虑到硅基负极材料的导电性较差，因此需增加极片中的黏结剂含量和改变导电添加剂的种类，有些人将CMC的比例调度为20%，SBR 的比例调度为20%，导电添加剂中加入CNT（碳纳米管）；对付高功率电池极片研发测试时，每每增加导电剂的含量，比例可调度为20%旁边。
高比例黏结剂和导电添加剂是为了充分展示正负极活性材料的电化学特性，而实际锂离子电池中电极极片的黏结剂质量比每每在2%旁边，导电添加剂比例每每在1%～2%。

锂离子电池材料的称量精度不应该低于称量质量1%的电子天平，以免引入较大的称量偏差。
活性材料及导电剂的称量可以直接称量粉体，而黏结剂的称量则是先称量粉体后与一定量的溶剂连续配比制备黏结剂溶液（如PVDF溶于NMP中溶解比例为10%，质量分数），再根据实际加入体积算出个中的黏结剂固体含量。

NMP和PVDF溶液的配制

首先，配制NMP和PVDF的溶液，这样在每次配制浆料时能节省很多韶光，可以配制0.02g/ml、0.025g/ml和0.03g/ml的三种，选择得当自己材料的浓度利用。
配制方法很大略，只须要将两种物质在广口瓶中稠浊就行，通过磁力搅拌，溶液中没有白色物质就行。

须要把稳的是：配制结束后，广口瓶要通过封口胶密封，由于NMP随意马虎吸水或者变质。

浆料的配置步骤：

第一步：用移液枪量取2ml的0.025g/ml 的NMP/PVDF溶液，放入D15搅拌子进行磁力搅拌；

第二步：称取0.05g导电剂Super P缓慢加入称量瓶中，搅拌20min。
加入过程中只管即便不要使导电剂碰到上侧瓶壁，更不要由于加入的太快而使导电剂散出称量瓶。

第三步：称取0.4g活性物质，加入称量瓶中。
把稳事变同上，加入后搅拌4-5小时，搅拌韶光不固定，以浆料粘稠状态为准。

另有宣布，在磁力搅拌后，进行15min的超声搅拌，性能更好。

注：何种浆料状态为最好？

一样平常来说，轻轻晃动称量瓶，稠浊物既不是粘度很高无法流动，又不是像水一样易动而不挂壁即可。
太稠可以加入一滴NMP连续搅拌一下子，一样平常一滴就足够了。
太稀可以将称量瓶放入鼓风干燥箱烘干一下子。

把稳：第二三步的顺序只管即便不要颠倒。

2.1.2 极片的涂布

一样平常利用刮刀和流延涂覆机，进行涂布，正极材料涂布在铝箔上，负极涂布在铜箔上。
没有涂覆机的同学可以利用玻璃板和刮刀进行涂布。
涂布过程比较大略，但是须要把稳以下几点：①铝箔须要平整，要尽可能的减少褶皱；②涂布前要用酒精和脱脂棉仔细清洁铝箔和涂覆机平台；③脱脂棉清洁后要用卫生纸小心清洁一次，一来去掉可能存在的棉絮二来不要划伤铝箔。

此外，特殊须要把稳的是，一样平常极片的脸庞量设为2～4mA·h/cm2，最低不建议低于1mA·h/cm2，这样的活性物质负载量与工业运用的更为靠近，便于准确对标评价材料的倍率和低温特性。
个别情形下，可以超过这一负载量，例如针对厚电极的研究。
低于这一壁庞量制作的极片，一方面，称量偏差较大；此外，由于极片薄，动力学性能较好，体积变革较小，电解液相对远远过量，这样有利于测到材料的最高容量，但半电池测到的倍率、循环性有可能会显著高于实际全电池事情条件下的性能，此时的动力学及循环性数据结果并不能和大容量实际电池有较好的对应关系。

当然，即便和实际体系的哀求有差异，但如果所有材料按照同一极片的制作条件来比拟，对付比较材料的性能差异也有一定意义。
但不同极片制作条件下的动力学、循环性能数据比拟，每每可靠性低，而实验室手工制作的薄极片的同等性每每很难担保。

2.1.3 极片的干燥和压片

极片的干燥一样平常须要考虑三点，烘烤温度、烘烤韶光、烘烤环境，对付NMP 油系的烘烤温度须要100℃以上，在能够烘干的条件下，只管即便降落烘烤温度，增加烘烤韶光。
对付一些随意马虎氧化或者在高温空气中不稳定的材料，须要在惰性气氛烘箱中烘烤。
还可以通过直接丈量极片水分含量来确定干燥条件。
其余,极片质量的好坏可以用掉粉程度来衡量,若掉粉随意马虎,电池在循环过程中,活性物质会从铝箔上脱落,溶解在电解液里,隔膜会被染黑。

干燥的目的在于去除浆估中大量的溶剂NMP以及个中的水分，以是要经由鼓风干燥和真空干燥两个步骤。
每个步骤的详细温度和韶光，不同事情中有不同的宣布，但须要把稳：

①干燥NMP的温度不须要太高，但由于溶剂太多，须要较多的热量，以是干燥韶光较长；

②由于水的沸点是100℃，以是鼓风干燥的温度须要较高，但由于水分含量较少，干燥韶光可以缩短，在鼓风干燥时，可以设置两个温度段，每个温度韶光不同，最高温度可以设置为100℃。
其余负极的干燥温度应低于正极，有时候涌现铜箔氧化的征象；

把稳：干燥温度过高和韶光过长，会涌现严重的掉粉行为，关于鼓风干燥的温度，正极不应超过120℃，负极不超过90℃。

③鼓风干燥后，要经由真空干燥，温度一样平常设定为120℃，韶光10小时旁边。
但不可以不经由鼓风干燥直接进行真空干燥，这样操作会导致NMP充满于真空干燥箱内，而使干燥效果不好。
不经由真空干燥也是可以的，但是有条件的最好不要省略这个步骤。

2.1.4 压片

涂布后，干燥出的复合股料涂层比较疏松。
若直策应用，被电解液浸润后随意马虎脱落破坏。
极片的辊压过程中须要将极片压实，压实密度只管即便靠近工业中极片的压实密度。
可采取对辊机或者压片机等进行压片处理，对辊机一样平常可将正极片涂层压制到15-60μm。
压片机可以采取大约80-120kg/cm2压强进行压制。
压片后的电极，稳定性、稳定性以及电化学性能都得到了改进，测试表现要好于不压片的样本。

压片紧张目的有两个：一是为了肃清毛刺，使表面光滑、平整，防止装电池时毛刺刺破隔膜引起短路；二是增强极片的强度，减小欧姆阻抗。
压力过大会引起极片的卷曲，不利于电池装置，压力过小又起不到压片的浸染。

2.1.5 冲切

将制备好的极片，用称量纸高下夹好，放到冲压机上冲出小极片（图9），小极片直径可根据冲压机的冲口模具尺寸进行调度，实验室常采取直径为14mm（对应CR2032 扣式电池）冲口模具。

对冲好的小极片进行利害选择，只管即便挑选描述规则、表面及边缘平整的极片，若极片边缘有毛刺或起料，可采取小毛刷进行轻微处理。
冲压制备的小极片数量根据测试哀求和涂片面积进行调度，一样平常用于充放电测试的极片数量不低于5片（建议挑选8片以上完全测试极片）。

图9 手工冲压极片流程

2.1.5 称重，干燥

将挑选合格后的小极片移到精度较高的天平（精度不低于0.01mg）进行称量，称好的极片放到待装电池的袋子里，并记录对应数据（图10）。
除极片的质量称量之外，在采取厚度仪对极片的厚度进行丈量时，多个极片的丈量数值偏差在3%以内则认为该极片厚度均一性良好，并记录厚度均匀值。

图10 冲压后的极片称量及标记

将称好的极片放入真空干燥箱，抽真空至0.1MPa，设定干燥温度和韶光，可以采取120 ℃烘烤6 h，这一步骤的目的是进一步去除极片中的水分。
启动运行升温后建议标注实验信息（图11），防止其它人误操作。

图11 极片干燥烘烤流程

2.2 双面极片处理方法

在实验室测试剖析中，还包括对一些工业生产线上制备极片以及从电芯拆解取出极片的电化学性能进行剖析评估。
上述极片多为双面涂覆极片，因此在组装扣式电池测试之前需将双面极片处理成单面极片（暴露出集流体）。

常用的处理方法包括刮刀法、擦拭法以及背面贴胶法。

刮刀法紧张采取手术刀对目标极片一侧进行刮划，可直接在手套箱内操作，但该方法较易损伤集流体，且耗时较长，不建议采取。

擦拭法须要采打水作溶剂对负极片一侧进行擦拭，正极片则可采取NMP（N-甲基吡咯烷酮）作溶剂擦拭。
擦拭至背面无明显活性材料（目视不雅观测即可）后，用冲压机进行冲片处理，制备成标准尺寸的单面极片。
该方法操作大略，但易涌现溶剂渗透或气氛渗透，对极片另一侧表面产生影响。
其余，该方法难以制备极片边缘处样品，多用于制备极片中央区域样品。

背面贴胶法是中国科学院物理研究所（以下简称物理所）失落效剖析团队近期发展的一种双面极片处理方法，即采取边缘折叠和背面贴导电胶，将目标极片的背面包裹于集流体和导电胶内部，形成单面极片。
该方法操作简便，可以方便地在双面极片上任意部位取样制作单面极片，全体过程可以在手套箱内完成。

单面处理后的目标极片样品须要进行洗濯，目的是去除极片表面的锂盐和残余电解液。
常采取的方法是将单面极片浸泡于DMC 等溶剂中6～8 h，或用钝头镊子夹起目标极片样品，并利用移液器或滴管吸取DMC，对目标极片含活性物质一侧进行正面冲洗数次，或者两种方法结合利用。
洗濯后，将极片置于真空舱内，真空干燥去除溶剂。
洗濯及真空干燥均在手套箱内进行。
干燥后的极片可置于平整的模具中以保持极片平整，方便后期扣式电池组装。

3.1 必备物品：

手套箱内：压片机(最好带数显)、镊子2把（至少有一把是塑料镊子）、药匙1把、电解液、锂片、磨口玻璃瓶(配胶头滴管)、注射器、干燥纸巾等清洁用品；

手套箱外：扣式电池壳、集电器、弹簧片（或泡沫镍）、正极片、隔膜片；

把稳：电池组装部件在放入手套箱中之前，要进行4小时旁边的真空干燥处理，温度不宜太高，可以设置在60-80℃温度。
容量较大的手套箱可事先这些存储电池部件，更清洁。
质料入进箱舱门后，严格按照操作规程进行排气-进气操作，至少三次。
建议在手套箱内专门放一个小型操作台，以防试剂堕落手套箱。
电解液对付手套和手套箱内壁的堕落比较严重，该当只管即便避免操作失落误。

3.2 确定水氧含量

一样平常的手套箱都有水氧含量的数显检测仪，手套箱水氧含量可以掌握在低于0.1PPM，但不同手套箱的标准不尽相同。
组装电池的过程，都在已经严格进行了排气-进气操作的手套箱中，严格隔绝任何可能的氧化、湿润等滋扰。
若手套箱的水氧含量一贯较高，该当检讨手套是否破损或者对手套箱进行再生。

3.3 组装过程

扣式电池组装次序紧张有两种，我们实验室一样平常习气从负极壳开始，但也可以从正极壳开始，这个没有对错之分，全看个人习气。

将准备好的极片转移到惰性气氛手套箱内，准备扣式电池组装部件：负极壳、金属锂片、隔膜、垫片、弹簧片、正极壳、电解液，此外还须要压片模具、移液器和绝缘镊子。

组装过程如下图所示：将负极壳平放于绝缘台面，将金属锂片置于负极壳中央，并用压片模具对金属锂片进行平整化处理，然后将隔膜平放于锂片上层，用移液器取适量电解液滴加入隔膜表面。
用绝缘镊子将测试极片、垫片、弹簧片和正极壳依次置于隔膜上层，个中测试极片的活性材料一侧需贴近隔膜（图12）。

图12 扣式电池组装流程

进一步，用绝缘镊子将扣式电池负极侧朝上置于扣式电池封口机模具上，可用纸巾垫于电池上方以接管溢出的电解液，调度压力（一样平常为800Pa）压制5s完成组装制备扣式电池，用绝缘镊子取出，不雅观察制备外不雅观是否完全（图13）并用纸巾擦拭干净。

图13 扣式电池封装流程

仿照电池的组装过程与扣式电池相似，以中科院物理所的仿照电池组装为例，需准备组装材料包括：仿照电池模具（一个聚四氟乙烯内胆，一个聚四氟乙烯套管，正负极壳和金属导体柱），金属锂片，隔膜，电解液及待测极片。
个中待测极片尺寸不能超过聚四氟乙烯内胆尺寸。
如下图，将金属锂片、隔膜、聚四氟乙烯内胆依次放入负极壳模具内，然后用移液器滴加一定量电解液，并将待测极片和金属导体柱依次放入内胆中，担保活性材料一侧贴近隔膜。
进一步地，将套有聚四氟乙烯套管的正极壳模具安装在负极壳模具上，完成仿照电池的组装。

图14 仿照电池组装流程图

4.1 金属锂片、隔膜、电解液的选择和处理

实验室用金属锂片能够供应远远过量的锂源（1mA·h/cm2 相称于5 μm 厚锂箔，实际购买的锂片每每在400～500μm，相称于80～100mA·h/cm2,工业级别的正负极极片单脸庞量一样平常在2～4 mA·h/cm2），杂质少且尺寸需大于待测极片，一样平常可从干系企业或供应商处直接采购惰性气氛保护下的金属锂片，并于惰性气氛保护手套箱内拆解、利用。
哀求利用锂片纯度不低于99.9%，用于制备扣式半电池时常常采取直径 15～15.8mm（对应极片尺寸为14mm的CR2032扣式电池），厚度0.5～0.8 mm，表面平直、银白色光亮、无油斑、穿孔和撕裂。

隔膜的类型需根据实验哀求进行选择，一样平常为具有纳米孔隙的绝缘膜，吸附电解液后可许可离子双向传输，常采取单层或多层的聚乙烯或聚丙烯隔膜，一样平常选择采购商业隔膜，并采取冲片机隔膜制备成尺寸规则的圆形，尺寸需大于金属锂片和待测极片以便隔离正负极片，常日与扣式电池壳的内径相同（如CR2032 的利用隔膜直径为15.5～16.5 mm）。
实验室中常采取Celgard2400 或Celgard2500 型号的工业用聚丙烯膜。

在组装实验室用扣式锂离子电池时，常日选择LiPF6体系电解液[如磷酸铁锂电池的电解液一样平常为浓度1mol/L的LiPF6溶液，以EC/DEC 为1∶1（体积比）稠浊液作为溶剂]，并且可根据实验哀求进行选择，如选择普通配比电解液、含有某种或多种添加剂的电解液等。
扣式电池组装时电解液的利用量常日为过量，如在扣式电池2032中电解液的利用量一样平常为100～150μL，在仿照电池中电解液的利用量一样平常为200μL。
如需进行长循环测试，可对电解液的量进行适当增加。

4.2 制备极片及电池的利害选择

制备后的极片表面平整，无明显大颗粒物，且在烘烤、常温冷却、转移过程中无明显掉料征象，可初步判断极片制备合格。
进一步可通过对极片的质量、厚度、冲片后边缘的掉料程度进行比拟，如果极片的质量、厚度相差很大，极片圆片的边缘掉料有好有坏，解释极片制备的并不合格。
应选择个中质量、厚度和边缘掉料均一的极片组装电池进行测试。

制备好的扣式电池和仿照电池外壳模具平整无破坏，表面无堕落痕迹、无明显漏液征象。
采取万用表或电池测试仪对制备电池进行开路电压测试，正极材料半电池开路电压在3 V 以上，负极材料半电池开路电压在2.5～3.5 V 内，表明组装电池无明显短路情形，若开路电压非常则可视为组装电池不合格。
在筛选合格的扣式电池正极壳上用暗号笔标注必要电池信息。

4.3 把稳事变

在以金属锂作为负极的扣式半电池中，全电池中的负极材料此时实际上在扣式电池中也是正极。
在扣式电池中需担保隔膜的直径＞锂片的直径＞极片的直径。
在用镊子移动全体扣式电池的时候，须要采取绝缘镊子，防止正负极打仗短路。
为担保后期电化学测试项目及考虑到偏差和操作失落误，实验室组装同一种材料的扣式电池或仿照电池数量一样平常不低于5 个。

扣式电池和仿照电池制备过程放置锂片步骤，需将锂片边缘光滑面朝隔膜一侧放置，必要时可以用平整的与锂不反应的硬物压平金属锂片的表面，以防止锂片边缘毛刺穿破隔膜导致电池短路。

扣式电池和仿照电池各组件在利用前需进行洗濯，个中不锈钢部件可分别用去油污清洁剂、丙酮、乙醇、水依次进行超声洗濯，在利用去油污清洁剂洗濯时可适当提高洗濯温度达到去除部件表面油污的目的。
聚四氟乙烯部件则利用除丙酮以外的其它几种试剂进行洗濯。
洗濯后的部件需在烘箱中进行烘干处理。

仿照电池组装放置极片时，需把稳极片易发生移动翻转。
利用镊子调度时随意马虎发生极片破损和电解液侧漏，建议利用钝头绝缘镊子处理。

表1 组装过程引起的偏差和改进方法

5.1 扣式电池的充放电模式

扣式锂电池的充放电测试常采取恒流充电（CC）、恒流-恒压充电（CC-CV）、恒压充电（CV）、恒流放电（DC）对电池充放电行为进行测试剖析等数据，通过剖析该过程中数据的变革来表征电池或材料的容量、库仑效率、充放电平台以及电池内部参数变革等电化学性能参数。

而阶跃式充放电模式则多用于直流内阻、极化和扩散阻抗性能的测试。
考虑到活性材料的含量以及极片尺寸对测试电流的影响，恒流充电中常以电流密度形式涌现，如mA/g（单位活性物质质量的电流）、mA/cm2（单位极片面积的电流）。

充放电电流的大小常采取充放电倍率来表示，即：充放电倍率（C）=充放电电流（mA）/额定容量（mA·h），如额定容量为1000mA·h的电池以500mA的电流充放电，则充放电倍率为0.5 C。
目前电动汽车用锂离子电池已发布利用的行业标准QCT/743—2006中指出锂离子通用的充放电电流为C/3，因此含C/3 的充放电行为测试也常涌如今实验室锂离子电池充放电测试中。

5.2 倍率性能测试

有三种形式，包括采取相同倍率恒流恒压充电，并以不同倍率恒流放电测试，表征和评估锂离子电池在不同放电倍率时的性能；或者采取相同的倍率进行恒流放电，并以不同倍率恒流充电测试，表征电池在不同倍率下的充电性能；以及充放电采取相同倍率进行充放电测试。
常采取的充放电倍率有0.02C、0.05C、0.1C、C/3、0.5C、1C、2C、3C、5C 和10C 等。

对电池的循环性能进行测试时，紧张需确定电池的充放电模式，周期性循环至电池容量低落到某一规定值时（常日为额定容量的80%），电池所经历的充放电次数，或者比拟循环相同周次后电池剩余容量，以此表征测试电池循环性能。
此外，电池的测试环境对其充放电性能有一定的影响。

5.3 实验仪器先容

现阶段国内外干系单位利用的电池测试系统包括Arbin公司的电池测试系统、新威公司的电池测试系统、蓝电公司的系列电池测试系统以及MACCOR公司的电池测试系统等，见表1。
此外拜特电池测试系统和Bitrode电池测试系统则多用于大容量电池、电池组等装置的测试剖析。
一些电化学事情站也具有扣式锂电池电化学性能测试功能，但由于通道设计、功能设计等缘故原由，多用于电 池的循环伏安法测试剖析、阻抗测试及短韶光的充放电测试，电化学事情站仪器厂家包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner（IM6）、上海辰华等。

参数

BT2000

BTS4000

LAND

Series 4000

电流精度

(±0.02%～±0.05%)FS

0.05%FS

0.1%RD

+0.1%FS

0.02%FS

电压精度

(±0.02%～±0.05%)FS

0.05%FS

0.1%RD

+0.1%FS

0.02%FS

测试参数

电流、电压、容量、能量、库仑效率、互换阻抗

电流、电压、容量、能量、库仑效率

电流、电压、容量、能量、库仑效率

电流、电压、容量、能量、库仑效率、互换阻抗、电压微分、温度

系统功能

恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试、阻抗测试

恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试

恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试

恒流充放电、恒压充电、恒电阻放电、脉冲充放电、循环性能测试、阻抗测试、循环伏安测试

表 2 几种电池测试系统紧张性能比拟

在实验室锂电池的测试过程中，还常常要用到防爆箱和恒温箱（图15）。

实验室用电池防爆箱多用于大容量电池的测试，在研究扣式电池一些分外性能测试的时候也会用到，如高倍率、高温性能测试等。

实验室用恒温箱温控多为25 ℃，且实际温度与设定温度间的温差精度不超过1 ℃。
在电池的高低温性能测试中，最低温度可达到70 ℃，最高温度可达150 ℃。
考虑到宽温度范围的恒温箱价格较贵，且运用较为集中，因此建议多台恒温箱设定不同温度集中测试利用，即同一种验证材料组装多支扣式电池分别测试常温及高低温性能，实验室测试常用温度为25 ℃、55 ℃和80 ℃（图16）。
在选择恒温箱时，只管即便采取专门用于电池测试的恒温箱，此类恒温箱含有专业的绝缘绝热口用于连接电池测试导线。

电池在连接测试夹具时，需利用绝缘镊子，且测试电池需整洁置于防爆箱或恒温箱内，设定测试温度，待温度达到设定温度后开启电池测试程序，测试过程中建议贴标签注释测试信息（图 17）。

图15 实验室用电池防爆箱和恒温箱

图 16 不同设定温度的实验室用恒温箱

图17 恒温箱中扣式电池安装图

5.4 充放电测试常规实验流程

将测试电池安装在测试仪器上，置于（25±1）℃ 测试环境中。
设置以下程序：静置10min；以1.0C电流恒流充电至4.2 V，然后恒压充电至电流低落至0.05C，充电停滞；静置5 min；然后以1.0C 电流恒流放电至3.0V；重复上述充放电步骤5～10次。

上述测试参数为常规全电池测试参数，一样平常正极材料/金属锂扣式电池的电压范围为3.0～4.3V，负极 材料/金属锂扣式电池的电压范围为0.005～1.0V，分外高电压正极材料（如高电压钴酸锂、尖晶石镍锰酸 锂、富锂锰基层状氧化物等材料）或其它正极材料（如磷酸铁锂材料）可依据电极材料特性和电解液、固态电解质耐受氧化电压进行电压范围调度，其它参数不变。
负极材料/金属锂扣式电池以及无锂正极材料（如MnO2等）/金属锂扣式电池在测试时首先放电至最低电压窗口，然后进行充电。
须要把稳的是，目前在许多文章中的负极材料测试范围为 0.005～3.0V，而在全电池测试过程中，一样平常能够采取的电压范围对应于负极半电池测试实际上不超过1.0V，例如对付石墨或者硅基负极材料，可用的电压范围为0.005～0.8V，对付钛酸锂这种负极材料，可用的电压范围为1.2～1.9V。
因此对付某些文章中在宽电压范围内得到的高容量和高首次库仑效率，其在全电池中并不能发挥出来，实际意义并不大。

针对软碳或硬碳负极材料，或者目前正在开拓的复合金属锂负极材料，放电截止电压可以更低，如0mV乃至50mV，详细情形须要详细剖析。
建议多数负极材料的半电池测试掌握电压范围在0.005～1.0V，超过这个电压范围，在结果的陈述及运用前景的描述上须要特殊声明，以免浮夸结果。

测试电池材料实际容量的时候，只管即便利用小倍率进行充放电，以减小极化产生的容量偏差，得到电池的真实容量，一样平常选择 0.1C 的倍率进行测试。

操作职员在测试仪器上装卸扣式电池时需佩戴绝缘手套及口罩和防护眼镜；由于测试通道较多，需对测试电池、测试通道进行分外标记，并在干系仪器前贴能干标签注释以防他人误操作。

5.5 充放电循环测试常规实验流程

在对电池的循环性进行测试时，可在上述充放电测试的根本上，增加循环次数，比拟相同循环次数后的容量保持率。
或重复充放电循环，当放电容量连续两次低于初始放电容量的80%时，确定此时的循环周数。

5.6 高低温测试常规实验流程

锂离子电池高低温性能测试中，高温性能测试一样平常设置为45 ℃、55℃、80℃或更高温度，低温性能测试一样平常设置为0 ℃、-10℃、-20℃、-30℃或-40℃，测试流程同2、3、4 节内容。
测试数据须要与室温的数据进行比拟，因此在高低温测试之前需进行常温的充放电测试。
而在进行放电效率测试的时候，建议采取室温（25±1）℃下进行恒流-恒压（CC-CV）模式充电至100% SOC，在不同温度下静置30min后进行恒流放电（DC）。

6.1 电压剖析

组装的锂离子电池的开路电压是指外电路没有电流利过期的正负极电位差，可通过万用表（精确度不低于0.1 mV，建议采取高内阻抗的专用电压表防止自放电）直接丈量，或连接至电池测试系统后直接读取数值。
该值仅为组装电池后的初始开路电压，全SOC下的开路电压需通过恒电流间歇滴定（GITT）方法测得，将在后续文章中先容。
事情电压则是指外电路有电流利过期正负极即时电位差，可直接表示在电池测试系统数据中。
事情电压U=E0±IRi，式中，E0为热力学平衡电压，Ri为扣式电池内部或打仗存在的某一种电阻，如某一构造组元的欧姆电阻、电荷转移阻抗、扩散阻抗，I为测试电流。
事情电压与电流大小有关。

放电均匀电压剖析则须要对曲线进行公式处理，即

式中，Qmax为曲线中的放电容量，E为放电曲线纵坐标电压。

6.2 容量剖析

电池容量是锂离子电池性能的主要性能指标之一，它表示在一定条件下锂离子电池储存的电量，常日以A·h（安时）或mA·h（毫安时）为单位（1 A·h=1000 mA·h），锂离子电池容量参数的获取紧张采取的方法是在电池由100% SOC 放电至0% SOC时（即在测试电压范围内），电流对韶光积分，即

式中，Q为电池容量（A·h），I为电流（A），t为测试韶光（h）。
1毫安时相称于3.6库仑。
一样平常情形下，容量数据可在测试系统软件中直接读取。

对付测试的电池材料来说，容量剖析一样平常须要确定3 个数据：首次充电容量、首次放电容量（正极材料）和可逆容量。

①首次充电容量即为锂离子电池首次充电结束时的充电容量；

②首次放电容量即为锂离子电池首次放电结束时的放电容量；

③可逆容量则为电池循环稳定后的容量值（常温下测试值又称额定容量），一样平常选取第3～5周的放电容量，有时可能须要选取10周往后的放电容量。

在实际运用中，对测试材料或极片的克容量、脸庞量及体积容量的剖析更具有参考代价。
如克容量即单位活性物质质量的放电容量，C=Q/m；脸庞量即单位测试极片面积的放电容量，C=Q/S；体积容量即单位极片体积的放电容量，C=Q/V。
式中，C为放电比容量mA·h/g（毫安时每克）、mA·h/cm2（毫安时每平方厘米）或mA·h/cm3（毫安时每立方厘米），Q为放电容量mA·h（毫安时），m为活性材料的质量g（克），S为测试极片面积cm2（平方厘米），V为测试极片的体积cm3（立方厘米）。
克容量参数用于比拟测试材料的性能更加直不雅观，而脸庞量和体积容量对付测试材料的实际运用，正负极容量匹配时则更具有参考代价。
建议揭橥文章时同时供应3种比容量的信息。

扣式电池数据也可以评价正极活性材料的能量密度（W），指的是单位质量的正极活性材料所能够存储和开释的能量，W=EQ/m，即放电均匀电压与克容量的乘积，常用单位为W·h/kg（常称为比能量），也包括体积能量密度W·h/L。
一样平常电芯中正极活性物质占的质量比为30%～50%，详细比例取决于正极材料的压实密度和真实密度。
因此，根据正极活性子的能量密度，也可以粗略估算相应的全电池的能量密度，这对付没有条件研制全电池，但又希望评价正极材料和预测电芯能量密度具有参考意义。

6.3 充放电曲线剖析

充放电曲线表示的是电池材料的充放电行为，对扣式电池充放电曲线进行剖析对理解材料的性能及电化学行为有着重要意义，尤其对半电池充放电曲线的剖析，能够针对性地剖析某一种材料的特性行为。
充放电曲线有几种不同的展现形式，如较为常见的“交叉式”曲线（图18）以及“循环式”曲线（图19）。

图18 几种不同材料组装半电池的“交叉式”充放电曲线

图19 几种不同材料组装半电池的“循环式”充放电曲线

从扣式电池充放电曲线中可读取大量数据信息，下面对部分数据的读取和剖析做大略先容。

图20 石墨/金属锂片扣式半电池的充放电曲线

正负极材料内锂离子的脱嵌对应了充放电曲线上的平台或斜坡区域（以及循环伏安曲线和微分差容曲线中的氧化还原峰），根据每个平台区域的变革可剖析研究材料的电化学反应行为。
常日充电和放电的电位平台或斜坡的数量相同，若充电和放电的总容量相同，但对应的每个平台/斜坡的容量有差异，则解释材料嵌脱锂的热力学反应路径或嵌脱锂动力学特性有显著差异。

图20为范例的石墨负极材料的充放电曲线。
充放电曲线显示，石墨/金属锂片半电池充放电时，石墨电极充放电过程等分别存在0.08/0.1 V，0.11/0.14 V以及0.2/0.22 V处3个对应明显的充放电平台，分别对应了3个锂石墨层间化合物的两相转变过程。
平台的起始点，对应相变的开始，平台的终止点，对应相变的结束点，平台行为意味着主体材料的电化学势与离子在材料中的霸占率无关。
充放电曲线中的斜坡一样平常对应于固溶体反应或者电容行为，斜坡行为意味着主体材料的电化学势与离子在材料中的霸占率直接关联。
因此，通过充放电曲线可以初步判断材料在反应过程中有几次相变反应，是两相转变反应还是固溶体、吸脱附电容行为，这可以赞助辅导X射线衍射等构造研究。
在同一个SOC下，小电流充放电时，充电电位平台与放电电位平台电压的中间值近似为热力学平衡电位，用循环伏安曲线或微分差容曲线对应的氧化峰与还原峰的中间电位值更随意马虎准确估算。
全SOC下准确的热力学平衡电位的丈量建议采取低电流密度下的GITT方法。

在全电池放电行为中，电池的放电电压为正极材料的嵌锂电压减去负极材料的脱锂电压，因此负极的均匀脱锂平台越高，则全电池的放电电压越低。
当负极材料的脱锂平台超过2.0 V 时，全电池电压已经很低了，此时测到的容量对全电池匹配和实际运用的意义不大，由于每种电器运用都有许可的下限电压范围，如一样平常用于消费电子电器的锂离子电池的放电电压截止到2.7 V。

能量效率即同一循环周次的放电能量与充电能量的比值，可以表示为η=（EDQD）（/ ECQC）×100%。
在充放电曲线中，可近似于充放电曲线的积分面积差，该值的变革在“循环式”充放电曲线中更随意马虎读取。
范例的锂离子电池的能量效率在92%～95%，锂硫电池和锂空气电池的能量效率则分别在80%和70%旁边。

对前5 周充放电循环数据进行剖析，可得到首周放电容量、首周充电容量、首周库仑效率、可逆容量、极化电压和电阻大小、能量效率等信息。

首周充放电数据最为主要。
首周放电容量可在曲线中直接读取，用于剖析首周循环后极片实际开释容量。
电池的首周充放电平台奠定了后续循环的根本，多数材料的构造是否稳定也是由第1周产生的，平台是非也影响着锂离子的嵌入脱出效率。
第2周及后面的充放电容量也基本都是在首周放电容量的根本上涨落。
库仑效率（即充放电效率）是指同一循环过程中电池放电容量与充电容量之比，即η=QD/QC×100%，首周库仑效率（即首效）则是电池在第1 周的放电容量与充电容量的比值（正极材料η=QD1/QC1×100%）。
多款电池测试系统均可直接输出该值，用于剖析首周循环过程中活化及其它反应花费的极片容量的情形，并且可直接表征材料构造的稳定性和动力学性能的利害。

首次放电容量及首周库仑效率可直接影响全电池的设计与材料的评价。
前5周的库仑效率一样平常会呈现先增后降或小幅颠簸的趋势，这是由于在前几周的循环过程中存在SEI膜成长、材料活化等反应引起活性锂源的不可逆丢失。
以新鲜负极材料的半电池为例，其首次放电容量则高于首次充电容量，即负极首次嵌锂量要多于负极首次脱锂量。
如果测试结果相反，则可能是由于非新鲜极片或电池短路等成分导致。

最高容量，即测试电池充放电过程中表现出来的容量最高数值，一样平常涌如今前五周的充放电过程中。
有些负极材料的测试结果显示可逆容量随着循环次数增加而持续增长，这与材料的持续氧化、缓慢活化、SEI膜持续增长、其它材料逐渐参与氧化反应有关。
这类负极材料对付锂离子全电池的设计和运用来说是缺陷而不是优点。
一样平常而言，电池丈量的可逆容量会在前5周趋于相对稳定，库仑效率不能很快达到99.95%意味着界面或材料构造一贯不稳定，这样的材料用于全电池测试，相对付半电池，循环性会差很多。

6.4 极化情形剖析

图21 富锂正极材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）的充放电曲线

在锂电池的充放电过程中，极化是不可避免的，尤其在高倍率充放电过程中。
研究由极化引起的容量变革以及根据充放电曲线剖析极化情形十分必要，相对付通过GITT、恒电压间歇滴定（PITT）或电化学互换阻抗谱（EIS）剖析电极过程动力学，通过充放电曲线获取的动力学信息更加直不雅观。
常日较低充放电倍率（如0.05C、0.02C、0.01C或更低倍率，取决于材料）下测得的容量可基本忽略极化引起的容量变革。
某倍率下测试得到的容量值与上述低倍率下测试的容量值差则可视为极化引起的容量变革。
在恒流-恒压（CC-CV）充电恒流放电曲线中，可通过充电曲线中恒流充电容量与恒压充电容量所占总容量的比值来表征极化情形。
恒流充电容量与总充电容量比值越低或恒压充电容量与总充电容量比值越高，则极化越大。
此外，充放电曲线中充放电平台电压差值增加也可反响出电极极化的增加，该差值在“循环式”充放电曲线中更易读取。
可通过在该曲线的充放电曲线的纵轴差距进行初步认识，如图21中，富锂正极材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）的充放电曲线，比拟第1 周循环曲线，第2周循环曲线的纵轴差距较小，表明极化低落。
此外，该值也可由微分差容曲线中嵌脱锂峰位的电位差进行表征，电位差变大，极化则增加。

6.5 微分曲线剖析

在对电池充放电曲线进行剖析的过程中，为了方便充放电曲线的研究，将该曲线进行微分处理，将平台区域转换为峰曲线。
常日利用的方法是微分差容曲线（incremental capacity，dQ/dV vs.V）和微分电压曲线（differential voltage，dV/dQ vs.Q）对充放电曲线进行剖析。

图22 几种正极材料半电池的微分差容曲线

个中微分差容曲线，简称IC曲线（图22），运用较为广泛，但由于存在电压平台（即dV=0），数据处理需谨慎。
曲线中的氧化峰和还原峰对应了充放电曲线中的充电平台和放电平台，并且与循环伏安曲线中的氧化峰和还原峰有着对应关系。
根据该曲线中峰位，参考文献可对氧化还原反应进行确认和判断。
将同循环周次充放电曲线都进行微分处理并进行峰位比对展现，对应氧化还原峰电位的中间值则为热力学平衡电位。
此外，峰位的移动和衰减也具有一定的比拟代价。
如峰位的移动则表明该电位附近的充放电平台电位涌现移动，与材料的构造变革引起锂的嵌入脱出难易有关；某峰位的强度变革可表征该电位的充放电平台是非变革。

图23 硅碳稠浊材料/金属锂片半电池放电过程的微分电压曲线

微分电压曲线，简称dV曲线，可根据文献或实验比拟曲线峰位归属，并根据峰位的横坐标来初步判断不同材料或平台的容量发挥情形，该曲线的数据处理较为方便，且多用于稠浊材料极片的剖析中。
图23所示为硅碳稠浊材料/金属锂片半电池放电过程的dV 曲线，通过比拟剖析可以得出，在第三周循环放电容量中，硅材料发挥容量为293 mA·h，石墨发挥容量为697.6 mA·h，并且硅和石墨发挥容量随循环均有所降落。
须要解释的是，微分电容和微分电压曲线的数据是否光滑、与充放电仪的电压丈量精度、电流掌握精度、测试时的温度稳定性、采样点的密度都有影响。

电池组装后，在测试时会涌现一些问题，以下是可能碰着的问题以及部分阐明

7.1 开路电压低的缘故原由

①极片的毛刺穿破隔膜，造成电池短路；

②电池装置过程中，正负极偏移，导致短路；

③压电池步骤出错，导致电池装置失慎密，电池正负极外壳与正负极片虚接，造成短路。

7.2 电化学阻抗大

①导电剂添加量不足；

②隔膜的孔隙率小，使得电解液中的锂离子不能能够顺利通过；

③电解液分解，个中的锂盐减少。

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