锂离子扣式电池制作及其电化学容量充放电曲线的测定

实验5 锂离子电池装配及表征一．锂离子电池的工作原理锂离子电池是在以金属锂及其合金为负极的锂二次电池基础上发展来的。

在锂离子电池中, 正极是锂离子嵌入化合物, 负极是锂离子插入化合物。

在放电过程中, 锂离子从负极中脱插, 向正极中嵌入, 即锂离子从高浓度负极向低浓度正极的迁移；相反, 在充电过程中, 锂离子从正极中脱嵌, 向负极中插入。

这种插入式结构, 在充放电过程中没有金属锂产生, 避免了枝晶, 从而基本上解决了由金属锂带来的安全问题。

在充放电过程中, 锂离子在两个电极之间来回的嵌入和脱嵌, 被形象地称为“摇椅电池”(Rocking Chair Batteries), 它的工作原理如图 1.1所示。

二．锂离子电池的制备工艺和需要注意的问题1.制备工艺流程配料----和膏-----涂板----干燥-----冲片-----压片-----扣式电池的组装（具体过程见讲义）2.需要注意的问题（思考题第一题）扣式锂离子电池制备工艺的关键是和膏、电极制备、电池装配及封口。

研究发现, 和膏及电极制备工艺对活性物质是否掉粉有重要影响, 而电池的装配和封口工艺则是影响扣式锂离子电池充放电性能的主要因素。

（2）当正极原料配比固定时, 对极片质量影响最大的便是搅拌过程, 搅拌方法选择不好将会导致极片的导电性降低和极片掉粉, 极片掉粉将会直接影响电池容量等。

搅拌方式有超声波搅拌、磁力搅拌、强力搅拌以及手工研磨。

经研究发现采用强力搅拌和超声波搅拌得到的极片质量最好, 而在本实验中我们使用的搅拌效果最差的手工研磨, 这很难得到好的结果。

所以在和膏时要注意搅拌方式的选择。

（3）干燥温度和时间选择不适也会导致极片掉粉, 干燥的目的是为了除去膏体中大量的溶剂NMP 以及在配膏过程中吸收到的水分, 温度和时间都应选择合适。

压片时压力要选择适中, 压片的目的主要有两个: 一是为了消除毛刺, 使极片表面光滑、平整, 防止装配电池时毛刺穿透隔膜引起短路; 二是增强膏和集流体的强度, 减小欧姆电阻。

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；(2）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- 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，正极活性物为富锂状态。

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+离子浓度等有关。

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+的浓度有关。

充电：LiFePO4 - xLi+ - xe- →xFePO4 + (1-x)LiFePO4放电：FePO4 + xLi+ + xe- →xLiFePO4 + (1-x)FePO4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LiFePO4和FePO4两相的转化，充电时，铁离子从FeO6层面间迁移出来，经过电解液进入负极，发生Fe2+→Fe3+的氧化反应，为保持电荷平衡，电子从外电路到达负极。

实验三锂离子电池的装配及其电化学性能测试一、实验目的1．了解扣式锂离子电池的装备过程；2．了解锂离子电池的工作原理。

二、实验原理1．锂离子电池的工作原理锂离子电池和所有的化学电源一样，主要是由正极、负极和电解质三部分组成，还包括电池壳、隔膜、正负极引线等。

锂离子电池对这些基础材料有一定的要求：正极材料要有高的开路电压，循环寿命长，比能量大；隔膜要求有一定的离子穿透性，允许锂离子通过，且有很好的耐氧化性和隔极阻止性等；负极材料也是要求比能量大，安全性好，能够进行快速的充放电；电解液要满足锂离子电导率高，电化学性能稳定，制备容易等。

锂离子电池实际上是锂的浓差电池，其原理为：在充放电过程中，Li+在正、负极的嵌入化合物中嵌入和脱嵌。

其正极材料为LiMO2（M为过渡金属），LiMn2O4或者钒的氧化物，负极材料一般用接近金属锂电池的C等可逆脱嵌锂材料，而电解液主要为无水有机溶剂。

充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。

锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。

因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。

锂离子电池表达式: (-)C n︱electrolyte︱LiM2O4(+)具体反应如下：正极反应：LiM2O4Li(1-x) M2O4 + xLi+ + xe-负极反应：nC+ xLi+ + xe- Li x C n电池反应：Li M2O4 + nC Li(1-x) M2O4 + Li x C n 2．电池的组装使用模拟纽扣电池能够方便的测试电极材料的比容量和循环性能。

其结构及装配顺序如图2.2所示。

首先将制成的正极片在120℃的真空干燥箱中干燥12h 后作为电池的正极，以锂片作为负极，聚丙烯微孔膜Celgard2032为隔膜，泡沫镍为集电器，1mol/L LiPF6的EC+DMC（体积比1:1）为电解液，在充满氩气（氧含量和水含量均小于1ppm）的真空手套操作箱中组装成LIR2025模拟纽扣电池。

锂离子电池最常用的性能测试-放电曲线分析攻略（8000字长文）锂离子电池放电时，它的工作电压总是随着时间的延续而不断发生变化，用电池的工作电压做纵坐标，放电时间，或容量，或荷电状态(SOC)，或放电深度(DOD)做横坐标，绘制而成的曲线称为放电曲线。

要认识电池的放电特性曲线，首先需要从原理上理解电池的电压。

【电池的电压】电极反应要形成电池必须满足以下条件：化学反应中失去电子的过程(即氧化过程)和得到电子的过程(即还原反应过程)必须分隔在两个不同区域中进行，这区别于一般的氧化还原反应;两电极的活性物质进行氧化还原反应时所需的电子必须由外电路传递，这区别于金属腐蚀过程的微电池反应。

电池的电压是正极与负极之间的电势差，具体的关键参数包括开路电压、工作电压、充放电截止电压等。

【锂离子电池材料的电极电位】电极电位是指固体材料浸于电解质溶液中，显示出电的效应，即金属的表面与溶液间产生的电位差，这种电位差称为金属在此溶液中的电位或电极电位。

简单说电极电位是表示某种离子或原子获得电子而被还原的趋势。

因此，对某种正极或负极材料来说，当处于有锂盐的电解质中时，其电极电位表示成：其中，φc即是这种物质表现出来的电极电位。

标准氢电极电势被规定为0.0V。

【电池的开路电压】电池电动势是根据电池反应，应用热力学方法进行计算的理论值，即电池在断路时处于可逆平衡状态下，正负极之间的平衡电极电势之差，是电池可以给出电压的极大值。

而实际上，正负极在电解液中并不一定处于热力学平衡状态，即电池的正负极在电解质溶液中所建立的电极电势通常并非平衡电极电势，因此电池的开路电压一般均小于它的电动势。

对于电极反应：考虑反应物组分的非标准状态以及活性组分的活度(或浓度)随时间的变化，采用能斯特方程修正电池实际开路电压：其中，R是气体常数，T是反应温度，a是组分活度或浓度。

电池的开路电压取决于电池正负极材料的性质、电解质和温度条件等，而与电池的几何结构和尺寸大小无关。

锂离子电池的制备合成及性能测定实验报告范文实验二锂离子电池的制备合成及性能测定一.实验目的1.熟悉锂离子电极材料的制备方法，掌握锂离子电极材料工艺路线；2.掌握锂离子电池组装的基本方法；3.掌握锂离子电极材料相关性能的测定方法及原理；4.熟悉相关性能测试结果的分析。

二.实验原理锂离子电池的结构与工作原理：所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。

人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。

以LiCoO2为例：⑴电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。

这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。

⑵为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnB某PyOz(某=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3某＋5y)/2)等。

三.实验装置及材料1.实验装置：恒温槽，冰箱，搅拌器，管式电阻炉，真空干燥箱，鼓风干燥箱，铁夹，分液漏斗，研钵，烧杯，pH试纸，循环水真空泵，漏斗，抽滤瓶，滤纸，玻璃皿，温度计；2.实验材料：乙醇，醋酸镍，醋酸钴，醋酸锰，碳酸钠，去离子水，氨水，乙炔黑，PVDF，NMP，LiOH；四.实验内容及步骤1.样品的制备及准备碳酸盐共沉淀法制备LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2：分别称取摩尔比为1：1：1的醋酸镍(Ni(CH3COO)2·4H2O)、醋酸钴(Co(CH3COO)2·4H2O)、醋酸锰(Mn(CH3COO)2·4H2O)，用去离子水溶解，溶液金属离子总浓度为1mol·L-1。

锂离子扣式电池制作及其电化学容量充放电曲线的测定一 实验目的1. 制作锂离子扣式电池，并测定其电化学容量。

2. 掌握电池容量测量的实验方法以及在实际中的应用。

二 实验原理由于锂离子电池具有比能量高、比功率大、循环寿命长、无记忆效应以及清洁无污染等特性，是继铅蓄电池、镍镉、镍氢电池之后的新一代电池产品，在近十年来得到了飞速的发展。

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解质四部分组成。

正极的活性物质一般采用钻酸锂（LiCoO 2）、镍酸锂（LiNiO 2）和锰酸锂（LiMn 2O 4）等；负极一般采用特殊的碳素材料，如石墨（G ）、中间相碳微球（MCMB ）或石油焦炭（PC ）等；隔膜通常使用微孔聚丙烯（PP ）和聚乙烯（PE ）或两者的复合膜（PE-PP-PE ）。

电解质主要包括液态电解液和聚合物电解质两种，电解质的主要作用就是为锂离子（Li +）的通过提供通道。

液态电解液中含有锂盐和有机溶剂，常用的锂盐有LiPF 6、LiBF 4、LiCl04等，有机溶剂有碳酸丙烯酯（PC ）、碳酸乙烯酯（EC ）、二甲基碳酸酯（DMC ）、二乙基碳酸酯（DEC ）等。

锂离子电池的工作原理如图5-34所示。

电池充电时，正极活性物质中的部分Li +脱离钻酸锂晶格经由电解质嵌入或插入到负极活性物质碳的晶格之中，生成Li x C 化合物。

放电时，Li x C 化合物中的Li +脱嵌，再充电时，又重复上述过程，利用Li +在正、负极材料中的嵌入与脱嵌从而完成充放电的过程。

充放电反应可表示如下：三 主要仪器和试剂仪器：氩气手套箱、电池性能测试仪；试剂：LiCoO 2粉末，石墨粉末，乙炔黑，电池用聚四氟乙烯（PTFE ）粉末，电池用聚偏氟乙烯（PVDF ）粉末，N-甲基吡咯烷酮（NMP ），1M LiPF 6/EC:DMC （1:1体积比），电池用聚丙稀多孔膜。

四 实验步骤1. LiCoO 2正极片的制备：将LiCoO 2粉末、乙炔黑、PVDF （为配好的0.02g/mL 的PVDF/NMP 溶液）按85:10:5（质量比）混合搅拌4h ，并辅以超声波分散制成均匀的浆料，将浆料涂于铝箔上，放入温度为60～800C 的烘箱中烘干后，用Ф12.5～16mm 的冲头冲成极片，在压力为2～4MPa 的压力下压片后，放入100～1200C 左右的真空烘箱中干燥3～5小时，转移到氩气手套箱中，待用。

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LiC104、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。