实验八锂离子电池制备及性能测试实验指导书.docx

实验一：锂离子电池制备及性能测试实验学时：6实验类型：综合实验要求：必修一*实验目的(1) 了解锂离子二次电池的工作原理；⑵了解电解质溶液的导电机理和锂离子电池电极材料的合成方法；(3) 掌握扣式锂离子电池电极的制备工艺及电池的装配过程；(4) 掌握锂离子电池电性能测试方法二实验内容扣式锂离子电池电极的制备工艺及电池的装配过程和扣式锂离子电池电化学性能测试三、实验原理、方法和手段液态锂离子二次电池通常采用层状复合氧化物为正极，人造石墨或者天然石墨为负极，充 放电过程中通过锂离子的移动实现以商品化的液态电解质锂离子电池为例，如下图1」正极材 料和负极材料分别为LiFePO4和石墨，以LiPF6・ EC-DEC为电解液，其电池工作原理如下：锂离子电池实质上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组 成正极材料是一种嵌锂式化合物，在外界电场作用下化合物中的Li从晶体中脱出和嵌入当 电池充电时，Li+离子从正极嵌锂化合物中脱出，经过电解质溶液嵌入负极化合物晶格中，正极 活，性物处于贫锂状态；电池放电时，Li+则从负极化合物中脱出，经过电解质溶液再嵌入正极 化合物中，正极活f生物为富锂状态。

为保持电荷平衡，充放电过程中应有相同数量的电子经外 电路传递，与Li一起在正、负极之间来回迁移，使正、负极发生相应的氧化还原反应，保持一 定的电位工作电位与构成正、负极的可嵌锂化合物的化学性质、Li+离子浓度等有矢在正常充放电过程中，负极材料的化学结构不变因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应锂离子电池在工作电位与构成电极的 插入化合物的化学性质、Li+的浓度有尖CurrentElectronCathode ]i►,|_0 ——治 QLiFePO』surS充电：LiFcPOa - xLi+ ・ M ・ xFcPOa + （l-x）LiFePO4放电：FcPOa + xLi 八 + M ・ xLiFePOK + （l-x）FeP04图1・1锂离子电池工作原理 > LiFePO4为正极'石墨为负极.研究表明，Li+的脱嵌过程是一个两相反应，存在着LiFePCU和FePCU两相的转化，充 电时，铁离子从FeOc层面间迁移出来，经过电解液进入负极，发生FJ+ TFJ+的氧化反应，为 保持电荷平衡，电子从外电路到达负极放电时则发生还原反应，与上述过程相反锂离子电池正极材料一般选用过渡金属氧化物。

常见的有钻氧化物（LiCoO2 ） ^氧化物 （LiNiCh）、猛氧化物（LixMnOv LiMn2O4）和磷酸铁锂（LiFePOj等，其中LiCoOz已经实 现商业化商业化锂离子电池用能嵌入锂离子的碳材料作为负极，为简单化，本实验中采用购置的金 属锂片作为负极材料锂离子电池的电解质是含锂离子的盐如在丙烯碳酸酯（PC）、乙烯碳酸酯（EC）、二甲 基碳酸酯（DMC）、二乙基碳酸酯（DEC）等有机溶剂溶解有机锂盐LiCICU、UPF4或 LiBFq构成锂盐有机电解液体系本实验使用的是购置的溶解有Imol/LLiPFq的EC+DMC（体积比1： 1）有机电解质溶液电池中隔膜的主要作用离子的导体，并且将电池的正负极隔膜以防止电池短路锂离子电 池一般采用高强度薄膜化的聚烯攵至多孔膜本实验选用厚度为25pm的Celgard2400型隔膜 四实验组织运行要求以学生自主训练为主的开放模式组织教学，任课教师简单串讲O五、实验条件（1）仪器I /VN □□、套箱、小型液压纽扣电池封口机、蓝电电池充放电测试系统(2) 药品an高纯氮气、电解液1 moI/L LiPF6+EC/DMC(体积比1:1) ＞粘合剂PVDF和LA132、乙块黑、 导电炭黑(Sup)、N甲基毗咯烷酮(NMP) Celgard2325隔膜、金属锂片、电池刻(CR2032)、铝箔、铜箔六、实验步骤6.1正极极片的制备(1) 称取电极组分共3g,按照90： 2.5： 2.5： 5的比例称取LiFePO4正极活性材料、乙快黑、Sup和粘合剂PVDF；(2) 将第1步称取的材料一起倒入玛瑙研钵中，手动研磨约30分钟，将固体材料研磨均匀后 加入适量的NMP继续研磨，制备成具有一定粘度的浆液；(3) 制备电极片，取适量铝箔，表面先用乙醇擦拭干净并干燥，然后将第2步制备的浆液用湿 膜制备器均匀涂于铝箔上，并在真空干燥箱中120弋干燥30分钟，然后用手动冲片机将极片切 成直径为14mm的圆片，最后把剪切的极片辗压成型。

4) 将第3步制备成型的正极片称重，烘干备用6.2电池的组装(1) 将烘干后的正极电极片、电池壳和隔膜等送入手套箱中；(2) 按照正极壳、正极电极片、隔膜、电解液、锂片和负极壳的顺序从下到上依次放好，然后再小型液压纽扣电池封口机上封口成型；(3) 把封口成型的电池移出手套箱，待用6- 3测试扣式电池内阻将装配好的扣式电池编号，利用万用表测试制备的锂离子扣式电池的内阻，记录数据6.4电池电化学性能测试将装配好的电池连接到蓝电电池测试系统上，在2.8-4.2V间测试电池性能测试条件为：0.2C 恒流充电至4.2V，转恒压充电电流为0.01C,转静置10分钟，转恒流放电至2.8V,循环10次停 止1) 将实验数据活性物质的质量，电池内阻等列成表格；(2) 以电压为纵坐标，以充放电容量为横坐标，绘出电压■容量变化图，比较不同循环电池 电压容量变化情况；(3) 以容量为纵坐标，以循环次数为横坐标，比较不同电池的循环性能及容量保持率；(4) 讨论所得实验结果及曲线的意义七、 思考题(1) 以LiFePO4为正极，金属锂片为负极制备的扣式锂离子电池测试电压范围限制在2.8- 4.2V之间，为什么？(2) 准确测试以LiFePO4为正极，金属锂片为负极制备的扣式锂离子电池的电化学，性能的尖键是什么？八、 实验报告实验报告应体现预习、实验记录和实验报告，要求这三个过程在一个实验报告中完成。

1实验预习在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中写出实验 目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲对实验 中的安全注意事项以及可能出现的现象做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中2-实验记录开始实验时，要求将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数 据以及相矢条件如实的记录下来3. 实验总结主要内容包括对实验数据如正极片制备过程中活性物质、粘合剂和导电剂的质量、实验中的特殊 现象如充放电曲线异常或循环伏安曲线异常、实验操作的成败、实验的尖键点等内容进行整理、 解释、分析总结，提出实验结论或提出自己的看法等1、 该实验中正极材料制备时活性物质的质量分数至尖重要，直接尖系到其电化学性能的优劣，因此在称量过程中务必准确无误，否则实验结果不准确；2、 该实验中，扣式电池的装配过程中，电解液对水非常敏感，装配过程必须在无水无氧条件 下进行，通常是在Ai气氛围的手套箱内进行，使用手套箱时应严格按照操 作提示进行备注：1正极材料理论电容量计算lmol正极材料LI离子完全脱嵌时转移的电量为96500C, （9砧00 C/mol是法拉第常数）由单位知mAh/g指每克电极材料理论上放出的电量：1mA h = lx （10 3）安培乂 360 秒二 3・ 6C以磷酸锂铁电池LiFePOa为例：LiFePO4的分子量是157.756 g/mol,所以他的理论电容量畏96500/157.756/3.6=170 mA h/g2充放电倍率充放电倍率畏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，1C在数值上等 于电池额定容量，通常以字母C表示。

如电池的标称额定容量为10Ah ,则10A为1C （1倍 率），5A则为0 -5C, 100A为10C ,以此类推3不同倍率下测试电流的设置以磷酸铁锂为例，其理论电容量为170mAh/g，假设正极片中活性物质的质量为MmgJIJ 0.1C充放电时其测试电流为：I=0.1CXMmgX 170 mA h/gX 103=0.017M inA以此类推，0.2C时为0.034M mA.附录:Ar气氛围的手套箱操作流程—打开手套箱:1. 准备好工作气体：确认所有的管道和接头都己接好，打开气阀2. 打开电源开矢：此开矢在系统的电控箱上，将旋扭由“O OFF”转到“ION 55位毫系统 自检，显示屏的初始界血显示了系统的当前状态3. 启动真空泵：按下“F3辟建，使其显示为"on- o4. 启动循环：按下“FT V,使其豆示为“on”5. 打开水、氧分析仪：在初始界面下按一下“ ▼”犍，在该界面下按“F2、F3"健使显示 为可分别开启水、氧探头6. 操作（推荐加栽内层棉手套，以防锋利物晶划皱丁基橡胶手套）；7. 使用完毕，做好清理工作二.尖闭手套箱：1. 矢闭水、氧分析仪：同上5,使其显示为Mofft2. 矢闭循环：按下“F1评建，使其显示为-off9 o3. 矢闭真空泵：按下“F3评建，使其显示为“off。

4. 矢闭电源开矢：将电控箱上的开矢旋扭由“ION”转到9OFF”注：孑套箱可以24小时不间断循沐二作，短时间停止二作时仗□卜2天），可以不 必尖闭 系统！三、手套箱一般操作：1. 改变工作压力：在初始界面下按三下“键接着按一下“F0M （显示屏显示more），可 以看见相应工作压力八EnteF*犍用来选定和激活数值，“V/DeF枝控制光标位置，用上下健改变数值，最后按”F1 ”镀退到初始界面工作压力 范围一般设为±5mba「再生时工作压力设定为1 5mbar °2. 打开箱内照明灯：按下“FQ虢，需要等待约5秒：再按下吁哗定则矢闭3. 当显示屏出现警报时'按下“ACK一犍回到初始界面四、进入手套箱试验:1. 操作前准备矜注意事项：接缝橡胶手套之前应注意不能密有长才旨甲务必 将手表、 戒指等锋利场品摘下，截上棉子套，以彷划咬橡肢手套和手上产生许多水汽，周如向子套箱正 常工作2. 犬过渡舱进入物体：确保内舱门已矢闭，放入持进入约物体，矢闭外舱门，打开抽空管道（DN40） 上的手动阀抽气约1小时，然后矢闭手动阀；打开丸气骨道〔DN10〉上的手动阀充气，压力平衡后就可以打开舱门将物体移入箱内。

3. 小过渡舱进入物体：确保内舱门已矢闭，放入物体矢闭小外舱门，将手柄旋到“抽气” 位置抽乞约3分钟，然后将手柄旋到“充气”位置使小过漩舱与箱内％体压力平衡；知 此聋换三次后就可以打开内舱门放入物体4. 进入箱内操作前应X卑工作压力的最彳氐改为贺值，建议在lmbar,具体操作见上面的1 °5注意事项：如果需要将一个密闭的腔体敖入箱体，请确认腔体可以承受真空压差； 过渡舱不使用时内外舱门都要保持矢闭；当打开内舱门之前，应务必、确保过渡舱内为惰性三手套箱再生操作：1.再生前的准备工作：氮氢混合气（90・95%氮气混合5-10%氢气），绚3500升即 40L 的钢瓶气体压力大于lONIPa ;再生气体使用的减压阀，附表量程0.4MPa〔应能准确读 出 0.03-0.04MPa 的压力〉2. 确认己经矢闭循环，打开工作气阀，打开真空泵，所有的接口都己连接好3. 将工作压力设定为微正压（推荐值1 5mbar>°4. 按下tcF2?? < （显示屏显示Regen）开启再生，此时显示屏会出昵提示信息，假如确认 无误，点击“ACK?M——确认通过，9。