锂离子电池用水基LiFePO 4/C 正极的电化学性能研究
郝连升，蔡宗平，李伟善*，易金， 陈朗
（华南师范大学 化学与环境学院，广东，广州，510006，E-mail:liwsh@https://www.doczj.com/doc/5714529423.html, ） 橄榄石型结构的LiFePO 4以其较高的理论比容量(170 mA·h/g)、适中的电压平台、良好的循环性能和安全性能、环境友好、价格便宜等众多优点，被认为是一种很有开发前途的锂离子电池正极材料。但是，LiFePO 4存在电子导电率低和离子传导率较差等缺点，不适宜大电流充放电。
目前LiFePO 4电极的制备一般采用N-甲基吡咯烷酮（NMP ）作溶剂，PVDF 作为粘结剂调浆涂布成膜。有机溶剂NMP 易挥发、易燃易爆、有毒性，同时该方法不易涂布成膜，容易出现掉粉脱落等现象。我们发现[1]，用水作为溶剂代替有机溶剂NMP ，用聚丙烯酸（PAA ）作粘结剂，制备的锂离子电池正极具有良好的电化学性能。本文在此基础上，用水作溶剂，PAA 与羧甲基纤维素钠（CMC ）作粘结剂，制备LiFePO 4电极，组装成2016扣式锂离子电池，用循环伏安扫描、恒电流充放电测试考察其电化学性能。
-2.5
-2.0-1.5-1.0-0.50.00.5
1.01.5
2.02.5
3.0E/V (vs Li/Li+)
I /m
A 图1 水性LiFePO 4/C 正极的循环伏安曲线，扫描速率：0.1 mV s -1
Fig .1 Cyclic voltammograms of LiFePO 4/C electrode, scan rate: 0.1 mV s -1
图1为采用水性粘结剂制备的LiFePO 4/C 电极的循环伏安曲线。从图中可以看出，LiFePO 4有很明显的一对氧化还原峰，分别对应锂离子在正极材料中的脱出和嵌入过程，氧化峰的峰电位值为3.56V ,还原峰的峰电位值为3.32 V 。从第2
次开始曲线的氧化还原峰位置基本没有改变，说明样品的可逆性较好。
20
40
60
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100
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140
specific capacity/mAh·
g
-1
E / V v s .L i +/L i
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Cycle number
s p e c i f i c c a p a c i t y /m A h ·g
-1
图2 首次与循环50次后的充放电曲线比较 图3水性LiFePO 4/C 正极的循环性能
Fig.2 Charge-discharge curves of LiFePO 4 Fig.3 Cyclic stability of LiFePO 4 electrodes
图2是以0.4C倍率充放电时LiFePO4电极的首次充放电曲线与循环50次后的充放电曲线的比较。从图中可以看出，首次充、放电的曲线在3.54V和3.31V左右都有一个很明显的平台，对应图1的循环伏安曲线上的一对氧化还原峰，平台电压值与氧化还原峰的峰值基本吻合。
图3是LiFePO4电极放电容量随循环次数的变化。从图中可以看出，以0.4C充放电, 首次放电容量为121mAh·g-1，电池稳定后的放电容量为127.6mAh·g-1，循环50次后放电容量为124.5mAh·g-1，容量保持率为97.5％。可以看出此水性正极的循环性能较好，充放电循环50次后其放电容量基本没有发生变化。
参考文献：
[1] Cai Z P, Liang Y, Li W S, et al. J. Power Sources,2009, 189 : 547-551.
LiFePO4/C cathode with water-binder as a binder for Lithium-Ion battery
Liansheng Hao , Zongping Cai , Weishan Li *,Jin Yi, Lang Chen
（School of Chemistry & Environment, South China Normal University, Guangzhou, Guangdong 510006, E-mail:liwsh@https://www.doczj.com/doc/5714529423.html,）
华南师范大学实验报告 学生姓名:蓝中舜学号：20120010027 专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源 课程名称：化学电源实验 实验项目：锂离子电池性能测试 实验类型：验证设计综合实验时间：2014年5月5日-17日 实验指导老师：马国正组员：黄日权郭金海 一、实验目的 1.熟悉、掌握锂离子电池的结构及充放电原理。 2.熟悉、掌握锂离子正极材料的制备过程及工艺。 3.熟悉、掌握锂离子电池的封装工艺及模拟电池测试方法。 二、实验原理 锂离子电池是指正负极为Li+嵌入化合物的二次电池。正极通常采用锂过渡金属氧化物 Li x CoO2，Li x NiO2或Li x Mn2O4，负极采用锂-碳层间化合物Li x C6。电解质为溶有锂盐LiPF6，LiAsF6，LiClO4等的有机溶液。溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和氯碳酸酯（CIMC）等。在充放电过程中，Li+在两极间往返嵌入和脱出，被形象的称之为“摇椅电池”。 锂离子电池充放电原理和结构示意图如下。 锂离子电池的化学表达式为： -）Cn|LiPF6-EC+DMC|LiM x O y（+ 其电池反应为： LiM x O y+nC Li1-x M x O y+Li x C n 本实验以高温固相法制备的尖晶石型LiMn2O4为正极材料，纯锂片为负极，制备扣式锂离子模拟电池，并对制备的扣式半电池进行充放电测试。 三、仪器与试剂 电化学工作站，蓝点测试系统、手套箱、电子天平、真空干燥箱、切片机、对辊机、鼓风干燥机 LiMn2O4、乙炔黑、PVDF、无水乙醇、电解液（1M LiPF6溶与体积比EC:DEC:EMC=1:1:1
锂电池性能测试方法 锂电池是一个要求高品质、高安全的产品、消费者在使用时往往不清楚电池的性能，导致在使用时电池的工作效率往往达不到理想目标，有时甚至盲目使用还会引起电池爆炸事件的发生，人生安全也会受到损伤，因此了解电池的性能也是至关重要的。 锂电池性能测试主要包括电压、内阻、容量、内压、自放电率、循环寿命、密封性能、安全性能、储存性能、外观等，其它还有过充、过放、可焊性、耐腐蚀性等 工具/原料 测试仪 硬质棒 钉子 方法/步骤 方法一、自放电测试 镍镉和镍氢电池的自放电测试为: 由于标准荷电保持测试时间太长,一般采用24小时自放电来快速测试其荷电保持能力,将电池以0.2C放电至 1.0V.1C充电80分钟,搁臵15分钟,以1C放电至10V,测其放电容量C1, 再将电池以1C充电80分钟,搁臵24小时后测1C容量C2,C2/C1×100%应小于15% 锂电池的自放电测试为:一般采用24小时自放电来快速测试其荷电保持能力,将电池以0.2C放电至 3.0V,恒流恒压1C充电至 4.2V,截止电流:10mA,搁臵15分钟后,以1C放电至3.0V测其放电容量C1,再将电池恒流恒压1C充电至 4.2V,截止电流100mA,搁臵24小时后测1C容量C2,C2/C1×100%应大于99%. 方法二、内阻测量 电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,一般分为交流内阻和直流内阻,由于充电电池内阻很小,测直流内阻时由于电极
容易极化,产生极化内阻,故无法测出其真实值;而测其交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值. 交流内阻测试方法为:利用电池等效于一个有源电阻的特点,给电池一个1000HZ,50mA的恒定电流,对其电压采样整流滤波等一系列处理从而精确地测量其阻值. 方法三、IEC标准循环寿命测试 IEC规定镍镉和镍氢电池标准循环寿命测试为: 电池以0.2C放至1.0V/支后 1.以0.1C充电16小时,再以0.2C放电2小时30分(一个循环). 2.0.25C充电3小时10分,以0.25C放电2小时20分(2-48个循环). 3.0.25C充电3小时10分,以0.25C放至1.0V(第49循环) 4.0.1C充电16小时,搁臵1小时,0.2C放电至1.0V(第50个循环),对镍 氢电池重复1-4共400个循环后,其0.2C放电时间应大于3小时;对镍隔电池重复1-4共500个循环,其0.2C放电时间应大于3小时. EC规定锂电池标准循环寿命测试 电池以0.2C放至3.0V/支后,1C恒流恒压充电到4.2V,截止电流20MA,搁臵1小时后,再以0.2C放电至3.0V(一个循环)反复循环500次后容量应在初容量的60%以上. 方法四、内压测试 镍镉和镍氢电池内压测试为: 将电池以0.2C放至1.0V后,以1C充电3小时,根据电池钢壳的轻微形变通过转换得到电池的内压情况,测试中电池不应彭底,漏液或爆炸. 锂电池内压测试为:(UL标准)
福州大学化学化工学院 本科实验报告 课程名称：综合化学实验 实验项目名称：锂离子电池的制备及性能测试实验室名称：六号楼206 学生姓名：陈世昌 学号：11S040902103 学生所在学院：化学化工学院 年级、专业：09级化学类 实验指导教师：郭永榔 2012年10 月8 日
一、实验目的 传统使用的小型可充电电池是镍镉电池，随着便携式电子产品对电池性能要求的不断提高，人们对环境意识的不断增强，对环境友好、性能更优良的绿色电源越来越迫切。与镍镉电池、金属氢化物电池、铅酸蓄电池及可充碱性电池等传统电池相比，可充锂离子电池能量密度大（约为镍镉电池的两倍），循环寿命长，工作电压高（3.6V），环境污染小，已经广泛应用于手机、计算机，便携式电子电器，数码产品等电源，有望成为动力车的理想动力电源。锂离子电池技术是 21 世纪具有战略意义的军民两用技术以及在电子信息、新能源、环境保护等重大技术领域发展中具有举足轻重的地位和作用，这对锂离子电池性能提出了更高的要求，因此对电池材料的开发改进仍然是当前的研究热点。 本实验研究目的： 1、了解可充锂离子电池的工作原理 2、了解电解质溶液的导电机理 3、掌握纽扣锂离子电池的电极材料、电极的制备工艺及纽扣锂离子电池的装配 4、掌握锂离子电池电性能的测试方法 二、实验试剂和仪器 1、实验仪器 管式气氛炉，行星式球磨机，真空干燥箱，真空手套箱，Land 电池充放电测试系统（与计算机连接），低温试验箱，真空泵，扣式电池封口机，电子天平，粉末压片机，玛瑙研钵，干燥器等。 2、试剂 高压氩气（瓶）， NH4VO3，LiOH·H2O，氢氧化钠，草酸，1mol/L LiPF6＋EC/DMC(体积比 1:1)电解液，粘结剂 PVDF，导电碳黑（CABOT），N－甲基吡咯烷酮（NMP），Celgard2325 隔膜，金属锂片，电池壳（CR2025），铝集流片，360 目砂纸等。试剂名称及分子式、厂家和纯度；主要仪器型号及厂家。 三、实验结果与讨论 1、将实验数据列成表格（如表1所示），标注条件。 表1 实验数据列表 序号姓名铝片重 /g 正极片 重/g 活性物 质重 /mg 理论容 量 (C/mAh ) 0.2C容 量/mAh 0.2C电 流/mA 开路电 压/V 活性物 质重 /mg 11 陈世昌0.0518 0.0534 1.6 0.3808 0.0762 0.076 3.5 1.36 12 陈世昌0.0544 0.0566 2.2 0.5236 0.1047 0.105 2.9 1.87 2、标出 XRD 图中各个峰所对应的晶面，通过对比 XRD 实验数据和标准图谱判断合成材料属何种物质和结构；
锂电池性能测试简介 充电及低公害。 各种先进电池中最被重视的商品化电池。所以在此以介绍锂离子电池为主。 可从 压 例。 止电压)又有[CV]的精准。 2.C-V曲线 C-V曲线是描充电池在充电、放电过程中电压及电容量间的关系。充电曲线能让工程师了解如何设计电池充电器，而放电曲线能使工程师在设计电路时正确的掌握电池的特性。例如最佳的工作电压、不同温度C-rate下的电池电容量。
我们也可从电池目前的电压对照C-V曲线：以斜率大小负值概略估算电池的残存容量(Residual Capacity)。因此C-V曲线是了解电池的重要工具。 2、分电池(Cell)性能测试 已组装之分电池，俗称单位电池（以下简称电池）。 在组装后静置8-12小时后为让电解液充份浸润极板，即依下列程序进行测试作 2.） 锂离子电池的化成：除了是使电池作用物质藉第一次充电转成正常电化学作用 钝化膜在锂离子电池的电化 商除将材 料及制程列为机密外化成条件也被列为该公司电池制造的重要机密。 相同于极板测试：将电池实际活化物总量换算理论电容量，以低C-rate C N。因此充、放电电流可以C-rate即C N的系数来表示其大小，关系如下式： I=M* C N I：充、放电电流大小(mA) M：倍率C-rate(hr-1) C N：N小时内完全放电的额定电容量(mAhr)
例如：电池之5小时率容量C5=300mAhr，则C-rate为0.5之充、放电电流大小 将是： I=M* C5=(0.5 hr-1)*(300mAhr)=150mA 电池化成过程中会有大量的能量耗损，最可能是用于钝化膜的形成。 3.电池电容量测试 再依下列步骤 容量在初期会有减少的情形。电池的放电电容量自0.753mA向下减少。待电池电化 有些化成程序亦包含了数十次的充放电 4. 3到520 5.自放电率测试 选取化2到37日放电一 采取积分记录。 于第28
锂离子电池得电化学阻抗谱分析 1、锂离子电池得特点 锂离子电池充电时,正极中得锂离子从基体脱出,嵌入负极;而放电时,锂离子会从负极中脱出,嵌入正极。因此锂离子电池正负极材料得充放电容量、循环稳定性能与充放电倍率等重要特性均与锂离子在嵌合物电极材料中得脱出与嵌入过程密切相关。这些过程可以很好地从电化学阻抗谱(EIS)得测量与解析中体现出来。 2、电化学阻抗谱得解析 2、1、高频谱解析 嵌合物电极得EIS谱得高频区域就是与锂离子通过活性材料颗粒表面SEI 膜得扩散迁移相关得半圆(高频区域半圆),可用一个并联电路R SEI/C SEI表示。 R SEI与C SEI就是表征锂离子活性材料颗粒表面SEI膜扩散迁移过程得基本参数,如何理解R SEI与C SEI与SEI膜得厚度、时间、温度得关系,就是应用EIS研究锂离子通过活性材料颗粒表面SEI膜扩散过程得基础。 2、1、1、高频谱解析R SEI与C SEI与SEI膜厚度得关系 SEI膜得电阻R SEI与电容C SEI与SEI膜得电导率、介电常数ε得关系可用简单得金属导线得电阻公式与平行板电容器得电容公式表达出来 (1) (2) 以上两式中S为电极得表面积,l为SEI膜得厚度。倘若锂离子在嵌合物电极得嵌入与脱出过程中ρ、ε与S变化较小,那么R SEI得增大与C SEI得减小就意味着SEI 厚度得增加。 2、1、2、SEI膜得生长规律(R SEI与时间得关系) 嵌合物电极得SEI膜得生长规律源于对金属锂表面SEI膜得生长规律得分析而获得。对金属锂电极而言,SEI膜得生长过程可分为两种极端情况:(A)锂电极表面得SEI膜不就是完全均匀得,即锂电极表面存在着锂离子溶解得阳极区域与电子穿过SEI膜导致得溶剂还原得阴极区域;(B)锂电极表面得SEI膜就是完全均匀
锂离子电池由正、负极材料、电解液、隔膜以及电池外壳组成。隔膜作为电池的“第三极”，是锂离子电池中的关键内层组件之一。隔膜吸收电解液后，可隔离正、负极，以防止短路，同时允许锂离子的传导。在过度充电或者温度升高时，隔膜通过闭孔来阻隔电流传导，防止爆炸。隔膜性能的优势决定电池的界面结构和内阻，进而影响电池的容量、循环性能，充放电电流密度等关键特性。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能起着有重要的作用。 锂离子电池隔膜生产材料目前还是以聚烯烃为首选，聚烯烃材料具有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性好、生物相容性好、无毒等优点，在众多领域得到了广泛的应用。聚烯烃化合物可以提供良好的机械性能和化学稳定性，具有高温自闭性能，确保锂离子二次电池在日常使用上的安全性。 1 、厚度均匀性 隔膜的厚度均匀性与所有薄膜生产企业要求是一样的，是一个永远追求的重要的质量指标，它直接影响隔膜卷的外观质量以致内在性能，是生产过程严加控制的质量指标之一。锂电池用户对隔膜的分切有其特殊的要求，除了有特殊的隔膜分切机、专业培训的专业分切人员外，与隔膜自身的厚度均匀性关系最为密切。 在自动化程度很高的隔膜生产线上，隔膜厚度都是采用精度很高的在线非接触式测厚仪及快速反馈控制系统进行自动检测和控制的。隔膜的厚度均匀性包括纵向厚度均匀性和横向厚度均匀性。其中横向厚度均匀性尤为重要。一般均要求控制在+1微米以内。“南通天丰”公司厚度现已控制在+0.5微米以内。 2、力学性能 隔膜的力学性能是影响其应用的一个重要因素，如果隔膜破裂，就会发生短路，降低成品率，因此要求隔膜在电池组装和充放电结构使用过程中，需要自身具有一定的机械强度。隔膜的机械强度可用抗穿刺强度和拉伸强度来衡量。 拉伸强度，隔膜的拉伸强度与制膜的工艺相关联。采用单轴拉伸，膜在拉伸方向上与垂直方向强度不同；而采用双轴拉伸时，隔膜在两个方向上一致性会相近。一般拉伸强度主要是指纵向强度要达到100MP以上，横向强度不能太大，过大会导致横向收缩率增大，这种收缩会加大锂电池厂家正、负极接触的几率。 抗穿刺强度，抗穿刺强度是指施加在给定针形物上用来戳穿隔膜样本的质量，用它来表示隔膜在装配过程中发生短路的趋势。因隔膜是被夹在凹凸不平的正、负极片间，需要承受很大的压力。为了防止短路，所以隔膜必须具备一定的抗穿刺强度。抗穿刺强度值一般在300-500g。 3、透过性能 透过性能可用在一定时间和压力下，通过隔膜气体的量的多少来表征，主要反映了锂离子透过隔膜的通畅性。隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、孔径、孔的形状及孔曲折度等隔膜内部孔结构综合因素影响的结果。 作为锂电池隔膜材料，本身具有微孔结构，微孔在整个隔膜材料中的分布应当均匀。孔径一般在0.03-0.12um。孔径太小增加电阻，孔径太大易使正负极接触或被枝晶刺穿短路。 隔膜厂家现在基本以透气度、孔隙度指标来衡量透气性。透气率是指特定的空气在特定的压力下通过特定面积隔膜所需要的时间，用Gurley值来表示。根据隔膜厚度，一般在300-700s/100ml。孔隙率是单体膜的体积中孔的体积百分率，它与原料树脂及膜的密度有关。现有锂离子电池隔膜的孔隙率在40%-50%之间。 4、理化性能 润湿性和润湿速度：较好的润湿性有利于提高隔膜与电解液的亲和性，扩大隔膜与电解液的接触面，从而增加离子导电性，提高电池的充放电性能和容量。隔膜对电解液的润湿
锂电池性能与测试 1. 二次电池性能主要包括哪些方面? 主要包括电压、内阻、容量、内压、自放电率、循环寿命、密封性能、安全性能、储存性能、外观等，其它还有过充、过放、可焊性、耐腐蚀性等。 2. 手机电池块有哪些电性能指标怎么测量？ 电池块的电性能指标很多这里只介绍最主要的几项电特性： A.电池块容量 该指标反映电池块所能储存的电能的多少是以毫安小时计,例如:1600mAH是意昧着电池以1600mA放电可以持续放电一小时. B.电池块寿命 该指标反映电池块反复充放电循环次数 C.电池块内阻 上面已提到电池块的内阻越小越好但不能是零 D.电池块充电上限保护性能 锂电池充电时，其电压上限有一额定值，在任何情况下，锂电池的电压不允许超过此额定值该额定值。由PCB板上所选用的IC来决定和保证。 E.电池块放电下限保护性能 锂电池块放电时,在任何情况下锂电池的电压不允许低于某一额定值该额定值,由PCB板上所选用的IC来决定和保证。 需要说明的是，在手机中一般锂电池块放电时，尚未到达下限保护值，手机就因电池电量不足而关机。 F.电池块短路保护特性 锂电池块外露的正负极片在被短路时,PCB板上的IC应立即加以判断,并作出反应关断MOSFET。当短路故障排除后，电池块又能立即输出电能，这些均有PCB上的IC来识别判断和执行。 3. 电池的可靠性项目有哪些？ 1. 循环寿命 2. 不同倍率放电特性 3. 不同温度放电特性 4. 充电特性 5. 自放电特性 6. 不同温度自放电特性 7. 存贮特性 8. 过放电特性 9. 不同温度内阻特性 10. 高温测试 11. 温度循环测试 12. 跌落测试 13. 振动测试 14. 容量分布测试 15. 内阻分布测试 16. 静态放电测试ESD 4. 电池的安全性测试项目有哪些? 1. 内部短路测试 2. 持续充电测试 3. 过充电 4. 大电流充电 5. 强迫放电 6. 坠落测试 7. 从高处坠落测试 8. 穿透实验 9. 平面压碎实验 10. 切割实验 11. 低气压内搁置测试 12. 热虐实验 13. 浸水实验 14. 灼烧实验 15. 高压实验 16. 烘烤实验 17. 电子炉实验 5. 什么是电池的额定容量? 指在一定放电条件下,电池放电至截止电压时放出的电量。IEC标准规定镍镉和镍氢电池在20+ 5。c环境下,以0.1C充电16小时后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量,以C5表示而对于锂离子电池,则规定在常温,恒流(1C)恒压(4.2V)控制的充电条件下,充电3 h再以0.2C放电至2.75V时,所放出的电量为其额定容量电池容量,电池容量的单位有Ah,mAh(1Ah=1000mAh). 6. 什么是电池的放电残余容量? 对可充电电池用大电流（如1C或以上）放电时，由于电流过大使内部扩散速率存在的“瓶颈效应”，致使电池在容量未能完全放出时已到达终点电压，再用小电流如0.2C还能继续放电，直至1.0V/支时所放出的容量称为残余容量 7. 什么是电池的标称电压；开路电压；中点电压；终止电压? 电池的标称电压指的是在正常工作过程中表现出来的电压,二次镍镉镍氢电池标称电压为1.2V;二次锂电池标称电压为3.6V。 开路电压指在外电路断开时，电池两个极端间的电位差； 终点电压指电池放电实验中，规定的结束放电的截止电压； 中点电压指放到50%容量时，电池的电压主要用来衡量大电流放电系列电池高倍率放电能力，是电池的一个重要指标 8. 电池常见的充电方式有哪几种? 镍镉和镍氢电池的充电方式: 1. 恒流充电:整个充电过程个中充电电流为一定值,这种方法最常见。 2. 恒压充电：充电过程中充电电源两端保持一恒定值，电路中的电流随电池电压升高而逐渐减小。
锂离子电池的电化学阻抗谱分析 1. 锂离子电池的特点 锂离子电池充电时，正极中的锂离子从基体脱出，嵌入负极；而放电时，锂离子会从负极中脱出，嵌入正极。因此锂离子电池正负极材料的充放电容量、循环稳定性能和充放电倍率等重要特性均与锂离子在嵌合物电极材料中的脱出和嵌入过程密切相关。这些过程可以很好地从电化学阻抗谱（EIS ）的测量与解析中体现出来。 2. 电化学阻抗谱的解析 2.1. 高频谱解析 嵌合物电极的EIS 谱的高频区域是与锂离子通过活性材料颗粒表面SEI 膜的扩散迁移相关的半圆（高频区域半圆），可用一个并联电路R SEI /C SEI 表示。 R SEI 和C SEI 是表征锂离子活性材料颗粒表面SEI 膜扩散迁移过程的基本参数，如何理解R SEI 和C SEI 与SEI 膜的厚度、时间、温度的关系，是应用EIS 研究锂离子通过活性材料颗粒表面SEI 膜扩散过程的基础。 2.1.1. 高频谱解析R SEI 和C SEI 与SEI 膜厚度的关系 SEI 膜的电阻R SEI 和电容C SEI 与SEI 膜的电导率、介电常数的关系可用简单 的金属导线的电阻公式和平行板电容器的电容公式表达出来 S l R SEI ρ= (1) l S C SEI ε = (2) 以上两式中S 为电极的表面积，l 为SEI 膜的厚度。倘若锂离子在嵌合物电极的嵌入和脱出过程中 、 和S 变化较小，那么R SEI 的增大和C SEI 的减小就意味着 SEI 厚度的增加。由此根据R SEI 和C SEI 的变化，可以预测SEI 膜的形成和增长情况（这是理解高频容抗弧的关键）。 2.1.2. SEI 膜的生长规律（R SEI 与时间的关系） 嵌合物电极的SEI 膜的生长规律源于对金属锂表面SEI 膜的生长规律的分析而获得。对金属锂电极而言，SEI 膜的生长过程可分为两种极端情况：（A ）锂电
锂电池保护板比较完整的性能测试 一、管理IC（如TI、O2，MCU等）数据写入部份的: 1、I2C资料写入及核对，如O 2、DS、TI、及各家MCU方案等 2. 写入生产日期(当天日期)和系列号--- Write Serial Number and Manu date 备注：SMBUS,I2C，HDQ通信口等； A.Current/Voltage Offset 校正 B.Voltage Gain 校正及读值比较Voltage Calibration C.Temperature 校正及读值比较Temperature Calibration D. Current Gain 校正及读值比较--- Current Calibration ※二、基体特性部份: 3.开路电压测试：测量加载电压后，MOS管是否能正常打开； 4. 带载电压测试：测量保护板的带载能力，从而反应保护直流阻抗 5. VCC电压测量（芯片的工作电压是否正常） 6. 芯片的工作频率测量（芯片的工作晶振频率） 7. 导通电阻测量（MOS管及FUSE阻值测量）； 8. 识别电阻—IDR测量； 9. 热敏电阻---THR； 10. 正常状态的静态功耗电流&休眠静态功耗（sleep） 11、关断状态的（Shout Down）静态功耗电流； 三：保护特性部分测试： 12. 单节电池过充保护测试（COV）， A、保护下限：测试保护板是否提前保护，影响电池容量值； B、保护上限：测试保护板是否有保护，影响电池的安全性； C、保护延时间上、下限：保护延时间是否在设计范围； D、恢复测试：保护后，是否能恢复，关系电池能否再次使用问题。 13. 单节电池过放保护测试（CUV）； A、保护值上下限:一个是，电池能否放到最底值，容量能否完全放出来，一个是一定要保护，否则影响电池的寿命； B、保护延时间：保护延时间是否在设计范围， C、恢复值、恢复时间：保护后，是否能恢复，关系电池能否再次使用问题。 14. PACK电池过压保护测试（POV）保护值、保护延时间、恢复值、恢复时间（如果有测COV，POV不用测，一般比较不建议只测POV，因为总组的POV即使有保护，并不代表每一节的都能够保护，万一有某一节不保护了，那就很危险。） 15. PACK电池低压保护测试（PUV）；保护值、保护延时间、恢复值、恢复时间；原理同CUV,CUV有测CUV，可不测PUV，理由同POV； 16. 充电过流保护（OCCHG）； A、保护值上下限：电流太小，关系充电时间，电流过大，关系电池寿命； B、保护延时间：关系电池发热堪至烧保护板问题； C、恢复值、恢复时间：电池的再次使用； 17. 放电过流保护（OCDSG）； A、保护值上下限：显得优为重要，下限，不能提前保护，否则影响功率，车跑不快、电动工具转不动等，上限一定保护，不保护导至烧电机、电池发热等问题； B、保护延时间上下限:这个也比较重要，下限不保护，如果提前保护了，电动工具，会导致旋不紧；上限不保护，可能导致烧电机、电池发热等问题；
锂离子电池材料的制备和电化学性能表征（24学时） 一、实验目的 1．了解尖晶石化合物的组成和结构特点。 2．了解无机材料制备方法－共沉淀制备前驱体、高温固相煅烧制备的反应原理和反应过程中影响产物性质的一般因素。 3．了解嵌入－脱嵌反应和锂离子电池的工作原理。 4．了解电池性能的主要参数和测试的主要方法。 二、实验原理 由于具有电压高、容量高、无污染、安全性好、无记忆效应等优异性能，锂离子电池自1991年实现商品化以来，其种类、性能和应用领域都得到了巨大的发展，已经成为最重要的二次电池之一，在手机、笔记本电脑、摄像机、便携式DVD、电动汽车甚至核潜艇上都得到了广泛应用。而锂离子电池的相关研究也成为当前化学电源研究的重要领域。 锂离子电池性能的优劣主要取决于电池的正极。锰酸锂LiMn2O4是重要的锂离子电池正极活性材料之一，其结构见图1。该结构为锂离子的迁移提供了三维通道。 图1 尖晶石晶体结构图 在充电过程中，锂离子从正极脱出，嵌入负极活性物质；而放电过程中，是锂离子的回嵌的过程，因此锂离子电池又称为“摇椅式”电池。电池充放电时，正极活性材料中Li+的迁移过程可用下式表示。 充电时：LiMn2O4→ xLi+ + Li1-x Mn2O4 + xe- 放电时：Li1-x Mn2O4 + yLi++ ye-→ Li1-x+y Mn2O4(0≤x≤1，0≤y≤x)
LiMn2O4的制备方法很多，常用的有高温固相法、低温固相法和液相法等。其中，低温固相法和液相法（溶胶-凝胶法）虽然反应温度低，但产物的电化学性能不能令人满意，且不适合工业化生产的需要。所谓高温固相法，就是在高温下使锰源化合物与锂源化合物反应生成LiMn2O4。 由于LiMn2O4在高温下容量衰减较快，需通过钴离子掺杂进行改性制备LiMn1.85Co0.15O4. 对固相反应而言，原料的分散状态(粒度)、孔隙度、装填密度、反应物的接触面积等对固-固反应速度有很大的影响。必须将反应物粉碎并混合均匀以使原子或离子的扩散比较容易进行。就本实验所制LiMn1.85Co0.15O4，采用共沉淀制备锰钴碳酸盐前驱体以达到离子程度的均匀混合，然后混锂后再进行高温煅烧制备出目标化合物。 三、仪器和试剂 1．仪器 X射线衍射仪，充放电测试仪，箱式电阻炉(马弗炉，Mufflefurnace)，磁力搅拌器，陶瓷坩埚, 电子分析天平，恒温鼓风干燥箱，研钵，压力机，手套箱。 2．试剂 2 mol·L-1硝酸锰钴（Mn/Co=1.85:0.15）溶液，碳酸钠，碳酸锂，金属锂片，Celgard 2400隔膜，PVDF粘合剂（13%），导电炭黑，石墨，电解液（1.15mol·L-1LiPF6的碳酸乙烯酯(EC)－碳酸二甲酯(DMC)－碳酸二乙酯混合溶液(质量比：EC:DMC:DEC=3:1:1)，电池壳。所有试剂均为分析纯。 四、实验步骤 1．Mn0.925Co0.075CO3的制备 取2mol·L-1的硝酸锰钴溶液40mL(约0.08mol), 至于烧杯中。称取8.9g碳酸钠（MW105.99）(0.084mol)至于另一烧杯中，然后加去离子水约80mL，摇动至完全溶解。将搅拌磁子至于硝酸锰钴溶液中，然后置于电磁搅拌器上进行搅拌，并开动加热，待温度升至约50℃，用滴管将碳酸钠溶液缓慢加入到硝酸锰钴溶液中（约半小时加完），控制溶液最终pH值约7.5~8，持续搅拌1h，将沉淀抽滤并用蒸馏水洗涤5~6次，而后置于恒温鼓风干燥箱中于110℃烘干。 2．锂锰钴复合氧化物LiMn1.85Co0.15O4的制备 将干燥的Mn0.925Co0.075CO3（MW 115.24）与摩尔比1:0.27的碳酸锂（MW 73.89）在研钵中研磨混匀（约需45～60min），转入陶瓷坩埚中，压实，开口放置在马弗炉中，于600℃下反应4h，然后升温至850℃反应12h，自然冷却到室温。 3．结构表征 将反应产物从马弗炉中取出，用研钵研细，装袋，标明合成人和合成条件，然后进行XRD表征。 4．电极的制备 将LiMn2O4粉末、石墨、乙炔黑以及作为粘合剂的PVDF(13%)按质量分数比86：2：6：6的比例混合均匀，加入适量的溶剂Ｎ-甲基吡咯烷酮（NMP）后，
内容(十三)锂离子电池的电化学阻抗谱分析
锂离子电池的电化学阻抗谱分析 1. 锂离子电池的特点 锂离子电池充电时，正极中的锂离子从基体脱出，嵌入负极；而放电时，锂离子会从负极中脱出，嵌入正极。因此锂离子电池正负极材料的充放电容量、循环稳定性能和充放电倍率等重要特性均与锂离子在嵌合物电极材料中的脱出和嵌入过程密切相关。这些过程可以很好地从电化学阻抗谱（EIS ）的测量与解析中体现出来。 2. 电化学阻抗谱的解析 2.1. 高频谱解析 嵌合物电极的EIS 谱的高频区域是与锂离子通过活性材料颗粒表面SEI 膜的扩散迁移相关的半圆（高频区域半圆），可用一个并联电路R SEI /C SEI 表示。 R SEI 和C SEI 是表征锂离子活性材料颗粒表面SEI 膜扩散迁移过程的基本参数，如何理解R SEI 和C SEI 与SEI 膜的厚度、时间、温度的关系，是应用EIS 研究锂离子通过活性材料颗粒表面SEI 膜扩散过程的基础。 2.1.1. 高频谱解析R SEI 和C SEI 与SEI 膜厚度的关系 SEI 膜的电阻R SEI 和电容C SEI 与SEI 膜的电导率、介电常数ε的关系可用简单的金属导线的电阻公式和平行板电容器的电容公式表达出来 S l R SEI ρ = (1) l S C SEI ε= (2) 以上两式中S 为电极的表面积，l 为SEI 膜的厚度。倘若锂离子在嵌合物电极的嵌入和脱出过程中ρ、ε和S 变化较小，那么R SEI 的增大和C SEI 的减小就意味着SEI 厚度的增加。由此根据R SEI 和C SEI 的变化，可以预测SEI 膜的形成和增长情况（这是理解高频容抗弧的关键）。 2.1.2. SEI 膜的生长规律（R SEI 与时间的关系） 嵌合物电极的SEI 膜的生长规律源于对金属锂表面SEI 膜的生长规律的分
锂离子电池的三大特性分析 时间：2014-11-12 11:12:47来源：本站原创浏览次数：9697 一、电池的容量特性 容量测试得到电池在不同倍率下的放电电压与容量关系曲线如图3所示。 图3 不同倍率下的放电电压与容量的关系曲线 从图中可以看出，在整个放电过程中锂离子电池的电压曲线可以分为3个阶段：1）电池在初始阶段端电压快速下降，放电倍率越大，电压下降的越快； 2）电池电压进入一个缓慢变化的阶段，这段时间称为电池的平台区，放电倍率越小，平台区持续的时间越长，平台电压越高，电压下降越缓慢。在锂离子电池的实际使用过程中，尽可能希望电池工作在平台区； 3）在电池电量接近放完时，电池负载电压开始急剧下降直至达到放电截止电压。从容量测试的结果中，同时还可以得到放电电流与容量的曲线关系，如图4所示。
图4 不同放电电流与容量的关系曲线 从图中可以看出，电池放电电流的大小，会直接影响到电池的实际容量。放电电流越大，电池容量相应减小，这表明放电电流越大，到达终止电压经历的时间越短。所以谈到电池容量时，应指明其放电电流（放电倍率）。 二、电池开路电压特性 开路电压测试［6］得到锂离子电池开路电压与电池SOC的关系曲线如图５所示。 图5 电池充电与放电时的OCV-SOC曲线
从图中可以看出，电池的OCV－SOC曲线与电池放电电压曲线趋势基本相同。在SOC的中间区间（20％＜SOC＜80％）内，电池的OCV变化极小，电池处于平台区；而在SOC的两端区间（SOC＜10％和SOC＞90％），OCV 的变化率较大，整个磷酸铁锂电池的OCV－SOC曲线呈现中间区域平坦，头尾两端陡峭的样子，开路电压法即是利用这一稳定的对应关系进行SOC估计。 锂离子电池OCV－SOC关系曲线受温度、放电倍率、老化程度因素影响较小［7］，但在充放电2种状态下，两条特性曲线之间会存在一定差异。 三、电池内阻特性 图6表示磷酸铁锂电池在充电和放电时的欧姆内阻。 图6 电池内阻变化曲线
第33卷 第3期 无 机 材 料 学 报 Vol. 33 No. 3 2018年3月 Journal of Inorganic Materials Mar, 2018 收稿日期: 2017-02-27; 收到修改稿日期: 2017-05-18 基金项目: 国家自然科学基金(21263016, 21363015, 51662029) National Natural Science Foundation of China (21263016, 21363015, 51662029) 作者简介: 蔡建信(1973–), 男, 博士, 副教授. E-mail: cjx@https://www.doczj.com/doc/5714529423.html, 文章编号: 1000-324X(2018)03-0301-06 DOI: 10.15541/jim20170095 Fe 2O 3纳米纤维锂离子电池负极材料的 制备及其电化学性能研究 蔡建信1, 李志鹏1, 李 巍1, 赵鹏飞1, 杨震宇2, 吁 霁2 (南昌大学1. 资源环境与化工学院; 2. 化学学院, 南昌 330031) 摘 要: Fe 2O 3具有理论比容量高和价格低廉等特点, 已成为锂离子电池负极材料的研究热点之一。实验以不同质量比PVP/FeCl 3溶液为前驱体, 静电纺丝技术制备PVP/FeCl 3纳米纤维并热处理, 得到不同直径的Fe 2O 3纳米纤维负极材料, 并以水热合成法制备了Fe 2O 3纳米颗粒。利用X 射线衍射、热重、红外光谱、扫描电镜、透射电镜和恒流充放电等测试手段对材料的物相、微观形貌和电化学性能进行表征。结果表明, Fe 2O 3纳米纤维比Fe 2O 3纳米颗粒表现出更优的电化学性能, 直径为160 nm 的Fe 2O 3纳米纤维负极材料的倍率性能和循环性能最佳, 材料在0.1 A/g 电流密度下的可逆容量为827.3 mAh/g ；在2 A/g 电流密度下70次循环放电比容量有439.1 mAh/g 。 关 键 词: 三氧化二铁；静电纺丝；纳米纤维；负极材料；锂离子电池 中图分类号: TQ174 文献标识码: A Synthesis and Electrochemical Performance of Fe 2O 3 Nanofibers as Anode Materials for LIBs CAI Jian-Xin 1, LI Zhi-Peng 1, LI Wei 1, ZHAO Peng-Fei 1, YANG Zhen-Yu 2, YU Ji 2 (1. College of Resources Environmental & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2. College of Chemistry, Nanchang University, Nanchang 330031, China) Abstract: Due to high theoretical specific capacity and low cost, Fe 2O 3 has become an attractive research field in anode materials for lithium-ion batteries (LIBs). In this study, by using PVP/FeCl 3 solutions with different concen-trations as precursors, Fe 2O 3 nanofibers with different diameters were prepared by electrospinning technology and anneal treatment. In addition, Fe 2O 3 nanoparticles were prepared by hydrothermal synthesis method. The crystalline structure, morphology and electrochemical performances of the composites were investigated by X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, infrared spectrum, scanning electron microscope, transmission electron microscope, and charge-discharge tests. Results showed that Fe 2O 3 nanofibers has better electrochemical performance than Fe 2O 3 nanoparticles. Fe 2O 3 nanofibers with diameter of 160 nm exhibited the highest rate and cycle performance as anode material in LIBs. It was found that the Fe 2O 3 electrode could deliver a discharge capacity of 827.3 mAh /g at 0.1 A /g current density and 439.1 mAh /g at 2 A /g after 70 cycles. Key words: Fe 2O 3; nanofiber; electrospinning; anode material; lithium ion battery 锂离子电池(LIBs)相对于传统蓄电池有电压高、比能量高、循环寿命长和环境友好等优点, 引 起了广泛关注[1-6]。但应用于大型的动力设备上的锂 离子电池, 必须比容量更大和循环性能更好。锂离万方数据
锂离子电池最新各种性能测试 1 20℃放电性能测试 首先要进行预循环处理，在环境温度20±5℃的条件下,以0.2CA充电，当电池端电压达到充电限制电压4.2V（GB/T18287-2000规定）后，搁置0.5h~1h，再以0.2CA电流放电到终止电压2. 75V（GB/T18287-2000规定）。在20℃放电性能之前进行预循环处理，能有效激活电池的内部组织结构，给以下各项试验做准备。 在环境温度20±5℃的条件下，以0.2CA充电，当电池端电压达到充电限制电压4.2V后，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.01CA，最长充电时间不大于8h，停止充电，这时，我们可以清晰的看到电脑仪器上显示出的充电示意图形。在充电过程中，一定要注意时间和充电电流的问题，充电电流达到或等于0.01CA即可，时间不易太长，一般都不超过8h。时间过长会造成过度充电，将会对锂离子电池中过多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，这样其中一些锂离子再也无法释放出来，严重的会造成电池的损坏，会影响后面的试验数据结果。电池充电结束后，搁置0.5～1h在20±5℃的温度条件下，以0.2CA电流放电到终止电压2.75V，时间应不低于5小时。 上述充放电重复循环5次，当有一次循环符合GB/T18287-2000中4.2.1的规定放电到终止电压2.75V，时间应不低于5小时。该试验即可停止，有些电池在第一个循环放电时间和终止电压没有达到标准要求，这不意味着电池不合格，是因为电池中的一些聚合物质没被充分地激活，待到第二个循环后被激活，可能就会达到标准要求。 2 锂离子电池的高温性能试验（温度55±2℃） 高温性能试验是测试电池在高温的环境条件下的工作状态，由于在高温的条件下锂离子电池中的物质会发生很大变化，主要测试它的放电时间和安全性。电池按GB/T18287-2000中5.3.2.2条规定充电结束后，将电池放入55±2℃的高温箱中恒温2h，然后以1CA电流放电至终止电压，放电时间应符合标准4.3条规定，时间不小于51分钟，电池外观应无变形和爆炸现象，如有爆炸现象立即切断电源，把测试线从测试仪表上取下。此试验要严格控制好箱体温度，注意温度不易太高。 3 恒定湿热性能试验（温度40℃，相对湿度90%～95%，时间48h） 恒定湿热性能试验是测试电池在温度相对偏高，湿度较大的野外环境下的工作状态，电池按GB /T18287-2000中5.3.2.2条规定充电结束后，将电池放入40±2℃，相对湿度90%～95%的恒温恒湿箱中搁置48h后，将电池取出在环境温度20±5℃的条件下搁置2h，目测电池外观，应符合标准4.7.1的规定，再以1CA电流放电至终止电压，放电时间应符合标准4.7.1的规定不低于36mi n，电池外观应无明显变形、锈蚀、冒烟或爆炸。 4 振动试验 振动试验是测试电池在不平稳的有振幅的特殊条件下的工作状态。电池按GB/T18287-2000中5.3.2.2条规定充电结束后，将电池直接安装或通过夹具安装在振动台的台面上，按下面的振动频
锂离子电池的电化学阻抗谱分析 1. 锂离子电池的特点 锂离子电池充电时，正极中的锂离子从基体脱出，嵌入负极；而放电时，锂离子会从负极中脱出，嵌入正极。因此锂离子电池正负极材料的充放电容量、循环稳定性能和充放电倍率等重要特性均与锂离子在嵌合物电极材料中的脱出和嵌入过程密切相关。这些过程可以很好地从电化学阻抗谱（EIS ）的测量与解析中体现出来。 2. 电化学阻抗谱的解析 2.1. 高频谱解析 嵌合物电极的EIS 谱的高频区域是与锂离子通过活性材料颗粒表面SEI 膜的扩散迁移相关的半圆（高频区域半圆），可用一个并联电路R SEI /C SEI 表示。 R SEI 和C SEI 是表征锂离子活性材料颗粒表面SEI 膜扩散迁移过程的基本参数，如何理解R SEI 和C SEI 与SEI 膜的厚度、时间、温度的关系，是应用EIS 研究锂离子通过活性材料颗粒表面SEI 膜扩散过程的基础。 2.1.1. 高频谱解析R SEI 和C SEI 与SEI 膜厚度的关系 SEI 膜的电阻R SEI 和电容C SEI 与SEI 膜的电导率、介电常数 的关系可用简单的金属导线的电阻公式和平行板电容器的电容公式表达出来 S l R SEI ρ= (1) l S C SEI ε= (2) 以上两式中S 为电极的表面积，l 为SEI 膜的厚度。倘若锂离子在嵌合物电极的
嵌入和脱出过程中、和S 变化较小，那么R SEI 的增大和C SEI 的减小就意味着SEI 厚度的增加。由此根据R SEI 和C SEI 的变化，可以预测SEI 膜的形成和增长情况（这是理解高频容抗弧的关键）。 2.1.2. SEI 膜的生长规律（R SEI 与时间的关系） 嵌合物电极的SEI 膜的生长规律源于对金属锂表面SEI 膜的生长规律的分析而获得。对金属锂电极而言，SEI 膜的生长过程可分为两种极端情况：（A ）锂电极表面的SEI 膜不是完全均匀的，即锂电极表面存在着锂离子溶解的阳极区域和电子穿过SEI 膜导致的溶剂还原的阴极区域；（B ）锂电极表面的SEI 膜是完全均匀的，其表面不存在阴极区域，电子通过SEI 膜扩散至电解液一侧为速控步骤。这对于低电位极化下的炭负极和过渡金属氧化物负极以及过渡金属磷酸盐正极同样具有参考价值。下面分别讨论这两种情况。 （A ）锂电极的SEI 膜不完全均匀 电极过程的推动力源自金属锂与电解液组分之间的电位差 V M-S 。假设：（1）腐蚀电流服从欧姆定律；（2）SEI 膜的电子导电率（ e ）随时间变化保持不变，此时腐蚀电流密度可表示为： l V i e S M corr ρ/-?= (3) 式中导电率e 的量纲为 m ，SEI 膜的厚度l 的量纲为m 。通过比较（3）式两端的量纲，可以判断公式成立。 进一步假设腐蚀反应的全部产物都沉积到锂电极上，形成一个较为均匀的薄膜，那么 corr Ki dt dl = (4) K 为常数，其量纲为m 3A -1s -1。