扣式锂电池详细的安装指导

任何一种新的电池资料的开发一般通过试验室研发、小试、中试以及规划放大和商业化运用五个阶段。其间试验室研发阶段是对资料功能测验、验证以及价值判其他必要阶段。由于试验室的丈量数据除了具有重要的科研价值外，还有助于在前期开发阶段判别某些资料及电池系统是否具有实践运用价值及商业开发价值。试验室扣式电池除了用于对现有资料的功能进行检测之外，还用于对新资料、新工艺产品进行初步的电化学功能测验与点评，正确的拼装扣式电池对该资料的开发与制备、全电池规划与运用有着重要含义。

极片的制备

资料的挑选、称量

试验室用的正负极资料往往是采购来的，当然也可以通过试验自行制备。正负极活性资料一般为粉末资料，颗粒尺度应不宜过大以便于均匀涂布，一起避免由于颗粒较大导致测验成果遭到资料动力学性质的约束以及造成的极片不均匀性问题。用于试验室研讨的正负极资料一般最大颗粒直径（Dmax）不超越50μm，工业运用的锂电资料的Dmax一般小于30μm。大颗粒、团聚体或许纳米级其他资料，往往通过过筛或许研磨处理。锂电池常用导电剂为碳基导电剂，包含乙炔黑（AB）、导电炭黑、SuperP、350G等导电资料。常用黏结剂系统包含聚偏氟乙烯-油性系统[即poly(vinylidenefluoride)，PVDF系统]以及聚四氟乙烯-水性系统[即poly(fluortetraethylene)，一般为乳液，简称PTFE系统]，SBR（丁苯橡胶）乳液等。油系溶剂常选用NMP（N-甲基吡咯烷酮）等。

试验室制备极片时，混料份额和进程依据测验资料及混料工艺的不同而有不同。如常见的石墨负极极片中，CMC（羧甲基纤维素钠）的含量一般低于10%，SBR的含量一般低于10%，导电添加剂的含量一般低于10%（高倍率电池除外）。而在硅基负极资料中，考虑到硅基负极资料的导电性较差，因而需添加极片中的黏结剂含量和改变导电添加剂的品种，有些人将CMC的份额调整为20%，SBR的份额调整为20%，导电添加剂中参加CNT（碳纳米管）；关于高功率电池极片研发测验时，往往添加导电剂的含量，份额可调整为20%左右。高份额黏结剂和导电添加剂是为了充分展现正负极活性资料的电化学特性，而实践锂离子电池中电极极片的黏结剂质量比往往在2%左右，导电添加剂份额往往在1%～2%。

锂离子电池资料的称量精度不应该低于称量质量1%的电子天平，避免引入较大的称量差错。活性资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继续配比制备黏结剂溶液（如PVDF溶于NMP中溶解份额为10%，质量分数），再依据实践参加体积算出其间的黏结剂固体含量。

锂离子电池极片的正、负极集流体分别为铝箔和铜箔。假如选用单面润滑的箔材，往往在粗糙面上进行涂布，以添加集流体与资料之间的结合力。箔材的厚度要求不严厉，但对箔材的面密度均匀性有比较高的要求。硅基负极资料一般选用涂碳铜箔以进步黏附性，下降接触电阻，以添加测验成果的重现性，进步充放电循环功能。

极片涂覆制备工艺

试验室极片制备进程一般分为混料和涂覆两个进程。其间混料工艺包含手艺研磨法和机械混浆法，涂覆工艺是手艺涂覆和机械涂覆。

进行混料时，依据供料的多少来确定选用手艺研磨法或机械混浆法，如活性资料的质量在0.1～5.0g时主张选用手艺研磨法，活性资料的质量超越5.0g时，主张选用混料机进行混料。试验室中每次混浆量有限，常选用手艺涂覆，当浆料满足时可选用小型涂覆机。整个极片制造进程需求在枯燥环境下进行，所用资料、设备都需求坚持枯燥。

图1手艺混料涂覆流程

图1为手艺混料涂覆办法制备极片进程，包含前期资料制备、活性资料和导电剂的称取和研磨、添加黏结剂、浆料研磨、手艺涂布极片、极片枯燥等进程。机械混浆进程中，则包含资料预备、仪器预备、装备黏结剂浆料、参加导电添加剂、装备浆料、参加电极资料装备浆料，涂布以及极片烘烤等进程（图2）。值的注意的是需先将黏结剂（如PVDF）参加溶剂NMP中，在50℃以下拌和至PVDF完全溶解，然后依据浆料制造份额再进行进行配比。在混料进程中要将黏在壁上的资料取下并混入浆中，避免由于份额失真而造成核算资料份额时呈现差错。混浆进程时刻过短或过长、浆料不匀或过细都会影响到极片整体质量和均匀性，并直接影响资料电化学功能发挥及对其的点评。

图2：机械混料、手艺涂覆流程

此外，特别需求注意的是，一般极片的面容量设为2～4mA·h/cm2，最低不主张低于1mA·h/cm2，这样的活性物质负载量与工业运用的更为挨近，便于准确对标点评资料的倍率和低温特性。个别情况下，可以超越这一负载量，例如针对厚电极的研讨。低于这一面容量制造的极片，一方面，称量差错较大；此外，由于极片薄，动力学功能较好，体积改变较小，电解液相对远远过量，这样有利于测到资料的最高容量，但半电池测到的倍率、循环性有可能会显着高于实践全电池作业条件下的功能，此时的动力学及循环性数据成果并不能和大容量实践电池有较好的对应联系。当然，即使和实践系统的要求有差异，但假如一切资料依照同一极片的制造条件来对比，关于比较资料的功能差异也有一定含义。但不同极片制造条件下的动力学、循环功能数据对比，往往可靠性低，而试验室手艺制造的薄极片的一致性往往很难确保。

极片枯燥条件、辊压工艺、极片压切与称量和极片的烘烤

极片的枯燥一般需求考虑三点，烘烤温度、烘烤时刻、烘烤环境，关于NMP油系的烘烤温度需求100℃以上，在可以烘干的前提下，尽量下降烘烤温度，添加烘烤时刻。关于一些容易氧化或许在高温空气中不稳定的资料，需求在慵懒气氛烘箱中烘烤。还可以通过直接丈量极片水分含量来确定枯燥条件。极片的辊压进程中需求将极片压实，压实密度尽量挨近工业中极片的压实密度。为了丈量资料的动力学极限，可以按研讨意图调控压实密度。将制备好的极片，用称量纸上下夹好，放到冲压机上冲出小极片（图3），小极片直径可依据冲压机的冲口模具尺度进行调整，试验室常选用直径为14mm（对应CR2032扣式电池）冲口模具。对冲好的小极片进行好坏挑选，尽量挑选形貌规矩、外表及边际平坦的极片，若极片边际有毛刺或起料，可选用小毛刷进行轻微处理。冲限制备的小极片数量依据测验要求和涂片面积进行调整，一般用于充放电测验的极片数量不低于5片（主张挑选8片以上完好测验极片）。

图3手艺冲压极片流程

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，并记载对应数据（图4）。除极片的质量称量之外，在选用厚度仪对极片的厚度进行丈量时，多个极片的丈量数值差错在3%以内则认为该极片厚度均一性良好，并记载厚度平均值。

图4冲压后的极片称量及符号

将称好的极片放入真空枯燥箱，抽真空至0.1MPa，设定枯燥温度和时刻，可以选用120℃烘烤6h，这一进程的意图是进一步去除极片中的水分。发动运行升温后主张标示试验信息（图5），避免其它人误操作。

图5极片枯燥烘烤流程

双面极片处理办法

在试验室测验剖析中，还包含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功能进行剖析评价。上述极片多为双面涂覆极片，因而在拼装扣式电池测验之前需将双面极片处理成单面极片（暴露出集流体）。常用的处理办法包含刮刀法、擦洗法以及反面贴胶法。

刮刀法首要选用手术刀对方针极片一侧进行刮划，可直接在手套箱内操作，但该办法较易损害集流体，且耗时较长，不主张选用。

擦洗法需求选用水作溶剂对负极片一侧进行擦洗，正极片则可选用NMP（N-甲基吡咯烷酮）作溶剂擦洗。擦洗至反面无显着活性资料（目视观测即可）后，用冲压机进行冲片处理，制备成规范尺度的单面极片。该办法操作简单，但易呈现溶剂渗透或气氛渗透，对极片另一侧外表产生影响。别的，该办法难以制备极片边际处样品，多用于制备极片中心区域样品。

反面贴胶法是中国科学院物理研讨所（以下简称物理所）失效剖析团队近期开展的一种双面极片处理办法，即选用边际折叠和反面贴导电胶，将方针极片的反面包裹于集流体和导电胶内部，形成单面极片。该办法操作简洁，可以便利地在双面极片上任意部位取样制造单面极片，整个进程可以在手套箱内完结。

单面处理后的方针极片样品需求进行清洗，意图是去除极片外表的锂盐和残余电解液。常选用的办法是将单面极片浸泡于DMC等溶剂中6～8h，或用钝头镊子夹起方针极片样品，并运用移液器或滴管吸取DMC，对方针极片含活性物质一侧进行正面冲洗数次，或许两种办法结合运用。清洗后，将极片置于真空舱内，真空枯燥去除溶剂。清洗及真空枯燥均在手套箱内进行。枯燥后的极片可置于平坦的模具中以坚持极片平坦，便利后期扣式电池拼装。

扣式电池拼装办法

将预备好的极片搬运到慵懒气氛手套箱内，预备扣式电池拼装部件：负极壳、金属锂片、隔阂、垫片、弹簧片、正极壳、电解液，此外还需求压片模具、移液器和绝缘镊子。

拼装进程如下图所示：将负极壳平放于绝缘台面，将金属锂片置于负极壳中心，并用压片模具对金属锂片进行平坦化处理，然后将隔阂平放于锂片上层，用移液器取适量电解液滴参加隔阂外表。用绝缘镊子将测验极片、垫片、弹簧片和正极壳顺次置于隔阂上层，其间测验极片的活性资料一侧需贴近隔阂（图6）。

图6扣式电池拼装流程

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吸收溢出的电解液，调整压力（一般为800Pa）限制5s完结拼装制备扣式电池，用绝缘镊子取出，观察制备外观是否完好（图7）并用纸巾擦洗干净。

图7扣式电池封装流程

模仿电池的拼装进程与扣式电池相似，以中科院物理所的模仿电池拼装为例，需预备拼装资料包含：模仿电池模具（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，隔阂，电解液及待测极片。其间待测极片尺度不能超越聚四氟乙烯内胆尺度。如下图，将金属锂片、隔阂、聚四氟乙烯内胆顺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顺次放入内胆中，确保活性资料一侧贴近隔阂。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，完结模仿电池的拼装。

图8模仿电池拼装流程图

试验室扣式电池制备中的注意事项

金属锂片、隔阂、电解液的挑选和处理

试验室用金属锂片可以供给远远过量的锂源（1mA·h/cm2相当于5μm厚锂箔，实践购买的锂片往往在400～500μm，相当于80～100mA·h/cm2,工业级其他正负极极片单面容量一般在2～4mA·h/cm2），杂质少且尺度需大于待测极片，一般可从相关企业或供货商处直接采购慵懒气氛维护下的金属锂片，并于慵懒气氛维护手套箱内拆解、运用。要求运用锂片纯度不低于99.9%，用于制备扣式半电池时经常选用直径15～15.8mm（对应极片尺度为14mm的CR2032扣式电池），厚度0.5～0.8mm，外表平直、银白色亮光、无油斑、穿孔和撕裂。

隔阂的类型需依据试验要求进行挑选，一般为具有纳米孔隙的绝缘膜，吸附电解液后可答应离子双向传输，常选用单层或多层的聚乙烯或聚丙烯隔阂，一般挑选采购商业隔阂，并选用冲片机隔阂制备成尺度规矩的圆形，尺度需大于金属锂片和待测极片以便隔离正负极片，一般与扣式电池壳的内径相同（如CR2032的运用隔阂直径为15.5～16.5mm）。试验室中常选用Celgard2400或Celgard2500类型的工业用聚丙烯膜。

在拼装试验室用扣式锂离子电池时，一般挑选LiPF6系统电解液[如磷酸铁锂电池的电解液一般为浓度1mol/L的LiPF6溶液，以EC/DEC为1∶1（体积比）混合液作为溶剂]，并且可依据试验要求进行挑选，如挑选普通配比电解液、含有某种或多种添加剂的电解液等。扣式电池拼装时电解液的运用量一般为过量，如在扣式电池2032中电解液的运用量一般为100～150μL，在模仿电池中电解液的运用量一般为200μL。如需进行长循环测验，可对电解液的量进行适当添加。

制备极片及电池的好坏挑选

制备后的极片外表平坦，无显着大颗粒物，且在烘烤、常温冷却、搬运进程中无显着掉料现象，可初步判别极片制备合格。进一步可通过对极片的质量、厚度、冲片后边际的掉料程度进行对比，假如极片的质量、厚度相差很大，极片圆片的边际掉料有好有坏，阐明极片制备的并不合格。应挑选其间质量、厚度和边际掉料均一的极片拼装电池进行测验。

制备好的扣式电池和模仿电池外壳模具平坦无损坏，外表无腐蚀痕迹、无显着漏液现象。选用万用表或电池测验仪对制备电池进行开路电压测验，正极资料半电池开路电压在3V以上，负极资料半电池开路电压在2.5～3.5V内，表明拼装电池无显着短路情况，若开路电压反常则可视为拼装电池不合格。在筛选合格的扣式电池正极壳上用记号笔标示必要电池信息。

注意事项

在以金属锂作为负极的扣式半电池中，全电池中的负极资料此时实践上在扣式电池中也是正极。在扣式电池中需确保隔阂的直径＞锂片的直径＞极片的直径。在用镊子移动整个扣式电池的时分，需求选用绝缘镊子，避免正负极接触短路。为确保后期电化学测验项目及考虑到差错和操作失误，试验室拼装同一种资料的扣式电池或模仿电池数量一般不低于5个。扣式电池和模仿电池制备进程放置锂片进程，需将锂片边际润滑面朝隔阂一侧放置，必要时可以用平坦的与锂不反响的硬物压平金属锂片的外表，以避免锂片边际毛刺穿破隔阂导致电池短路。扣式电池和模仿电池各组件在运用前需进行清洗，其间不锈钢部件可分别用去油污清洁剂、丙酮、乙醇、水顺次进行超声清洗，在运用去油污清洁剂清洗时可适当进步清洗温度达到去除部件外表油污的意图。聚四氟乙烯部件则运用除丙酮以外的其它几种试剂进行清洗。清洗后的部件需在烘箱中进行烘干处理。模仿电池拼装放置极片时，需注意极片易产生移动翻转。运用镊子调整时容易产生极片破损和电解液侧漏，主张运用钝头绝缘镊子处理。

表1拼装进程引起的差错和改善办法