一切一种新的锂电池材料的开发设计

一切一种新的锂电池材料的开发设计一般历经试验室产品研发、检样、小试及其经营规模变大和商业化的运用五个环节。在其中试验室产品研发环节是对原材料功能测试、认证及其价值判断的必需环节。由于试验室的精确测量数据信息除开具备关键的科学研究使用价值外，还有利于在初期设计阶段分辨一些原材料及充电电池管理体系是不是具备具体运用使用价值及商业服务开发设计使用价值。试验室扣式充电电池除开用以对目前原材料的特性开展检验以外，还用以对新型材料、新技术新工艺商品开展基本的光电催化功能测试与点评，恰当的拼装扣式充电电池对该原材料的开发设计与制取、全充电电池设计方案与运用拥有 关键实际意义。

极片的制取

原材料的挑选、称重

试验室用的正电池正极材料通常是购置来的，自然还可以根据试验自主制取。正负特异性原材料一般为粉末状原材料，顆粒规格应不适合过大便于于匀称施胶，另外防止因为顆粒很大造成 检测結果遭受原材料动力学模型特性的限定及其导致的极片不匀称性的问题。用以试验室科学研究的正电池正极材料一般较大 顆粒直徑（Dmax）不超过50μm，工业生产运用的锂电池原材料的Dmax一般低于30μm。大顆粒、团圆体或是纳米其他原材料，通常历经筛粉或是碾磨解决。锂电常见导电性剂为碳基导电性剂，包含乙炔黑（AB）、导电炭黑、Super P、350G等导电性原材料。常见粘结剂管理体系包含聚偏氟乙烯-油溶性管理体系[即poly(vinylidene fluoride)，PVDF管理体系]及其聚四氟乙烯-水溶性管理体系[即poly(fluortetraethylene)，一般为保湿乳液，通称PTFE 管理体系]，SBR（丁苯橡胶）保湿乳液等。油系有机溶剂常选用NMP（N-羟基吡咯烷酮）等。

试验室制取极口腔上皮细胞，错料占比和流程根据检测原材料及错料加工工艺的不一样而有区别。如普遍的高纯石墨负级极剧中，CMC（羧甲基甲基纤维素钠）的成分一般小于10%，SBR的成分一般小于10%，导电性防腐剂的成分一般小于10%（聚合物电芯充电电池以外）。而在硅基电池正极材料中，充分考虑硅基电池正极材料的导电率较弱，因而需提升极剧中的粘结剂成分和更改导电性防腐剂的类型，有的人将CMC的占比调节为20%，SBR 的占比调节为20%，导电性防腐剂中添加CNT（纳米碳管）；针对大功率充电电池极片产品研发检测时，通常提升导电性剂的成分，占比可调节为20%上下。高占比粘结剂和导电性防腐剂是为了更好地充足展现正负特异性原材料的光电催化特点，而具体锂电池中电级极片的粘结剂质量比通常在2%上下，导电性防腐剂占比通常在1%～2%。

锂电池原材料的称重精密度不应该小于称重品质1%的电子分析天平，以防导入很大的称重误差。特异性原材料及导电性剂的称重能够立即称重粉体设备，而粘结剂的称重则是先称重粉体设备后与一定量的有机溶剂再次配制制取粘结剂水溶液（如PVDF溶解NMP中融解占比为10%，摩尔质量），再依据具体添加容积算出在其中的粘结剂固态成分。

集液体的挑选

锂电池极片的正、负级集液体各自为铝铂和铜泊。假如采用单双面光洁的箔材，通常在不光滑表面开展施胶，以提升集液体与原材料中间的结合性。箔材的薄厚规定不严苛，但对箔材的面密度匀称性有较为高的规定。硅基电池正极材料一般采用涂碳铜泊以提升 粘附，减少回路电阻，以提升检测結果的再现性，提升 蓄电池充电循环系统特性。

极片涂敷制取加工工艺

试验室极片制取全过程一般分成错料和涂敷2个全过程。在其中错料加工工艺包含手工研磨法和机械设备混浆法，涂敷加工工艺是手工制作涂敷和机械设备涂敷。

开展错料时，根据送料的是多少来明确选用手工研磨法或机械设备混浆法，如特异性原材料的品质在0.1～5.0g时提议选用手工研磨法，特异性原材料的品质超出5.0g时，提议选用混合机开展错料。试验室中每一次混浆量比较有限，常选用手工制作涂敷，当料浆充足时可选用中小型涂覆机。全部极片制作过程必须在干躁自然环境下开展，常用原材料、机器设备都必须维持干躁。

图1 手工制作错料涂敷步骤

图1为手工制作错料涂敷方式制取极片全过程，包含早期原材料制取、特异性原材料和导电性剂的称量和碾磨、加上粘结剂、料浆碾磨、手工制作施胶极片、极片干躁等全过程。机械设备混浆全过程中，则包括原材料提前准备、仪器设备提前准备、配备粘结剂料浆、添加导电性防腐剂、配备料浆、添加金属电极配备料浆，施胶及其极片烤制等流程（图2）。值的留意的是先要将粘结剂（如PVDF）添加有机溶剂NMP中，在50 ℃下列拌和至PVDF彻底融解，随后依据料浆配置占比再开展开展配制。在错料全过程时要将粘到内壁的原材料取出并渗入浆中，防止由于占比失帧而导致测算原材料占比时出現误差。混浆全过程時间过短或太长、料浆不均或太细都是会危害到极片总体品质和匀称性，并立即危害原材料光电催化特性充分发挥及对其的点评。

图2：机械设备错料、手工制作涂敷步骤

除此之外，尤其必须留意的是，一般极片的面容积设成2～2mA·h/cm2，最少不建议小于1米A·h/cm2，那样的活性物质承载量与工业生产运用的更加贴近，便于精确对比评价材料的倍数和超低温特点。个别情况下，能够超出这一承载量，比如对于厚电级的科学研究。小于这一面容积制做的极片，一方面，称重误差很大；除此之外，因为极片薄，动力学模型特性不错，容积转变较小，锂电池电解液相对性遥远过多，那样有益于测到原材料的最大容积，但半充电电池测出的倍数、回收再利用有可能会明显高过具体全充电电池工作中标准下的特性，这时的动力学模型及回收再利用数据信息結果并不可以和大空间具体充电电池有不错的对应关系。自然，就算和具体管理体系的规定有差别，但假如全部原材料依照同一极片的制做标准来比照，针对较为原材料的特性差别也是有一定实际意义。但不一样极片制做标准下的动力学模型、循环系统特性数据对比，通常可信性低，而试验室手工制做的薄极片的一致性通常难以确保。

极片干躁标准、辊压加工工艺、极片压切与称重和极片的烤制

极片的干躁一般必须考虑到三点，烤制溫度、烤制時间、烤制自然环境，针对NMP 油系的烤制溫度必须100℃之上，在可以风干的前提条件下，尽可能减少烤制溫度，提升烤制時间。针对一些非常容易空气氧化或是在高溫空气中不稳定的原材料，必须在可塑性氛围烘干箱中烤制。还能够根据立即精确测量极片水份成分来明确干躁标准。极片的辊压全过程中必须将极片夯实，夯实相对密度尽可能贴近工业生产中片的夯实相对密度。为了更好地精确测量原材料的动力学模型極限，能够按科学研究目地管控夯实相对密度。将制取好的极片，用称重纸左右夹好，放进冲压机床上冲破小极片（图3），小极片直徑可依据冲压机床的冲口模貝规格开展调节，试验室常选用直徑为14mm（相匹配CR2032 扣式充电电池）冲口模貝。对冲交易好的小极片开展好坏挑选，尽可能选择外貌标准、表层及边沿整平的极片，若极片边沿有毛边或起料，可选用小毛刷开展轻度解决。冲压模具制取的小极片总数依据检测规定和玻片总面积开展调节，一般用以蓄电池充电检测的极片总数不少于5片（提议选择8片之上详细检测极片）。

图3 手工制作冲压模具极片步骤

将选择达标后的小极片挪到精密度较高的天平秤（精密度不少于0.01mg）开展称重，称好的极片放进待装充电电池的包装袋里，并纪录相匹配数据信息（图4）。除极片的品质称重以外，在选用薄厚仪对极片的薄厚开展精确测量时，好几个极片的精确测量标值误差在3%之内则觉得该极片薄厚均一性优良，并纪录薄厚均值。

图4 冲压模具后的极片称重及标识

将称好的极片放进真空干燥箱，真空包装至0.1MPa，设置干躁溫度和時间，能够选用120 ℃烤制6 h，这一流程的目地是进一步除去极剧中的水份。起动运作提温后提议标明试验信息内容（图5），避免 其他人操作失误。

图5 极片干躁烤制步骤

两面极片解决方式

在试验室检测剖析中，还包含对一些工业生产线上制取极片及其从锂电芯拆卸取下极片的光电催化特性开展剖析评定。所述极片多见两面涂敷极片，因而在拼装扣式电池检测以前需将两面极片解决成单双面极片（显现出集液体）。常见的解决方式包含刮板法、擦拭法及其反面贴胶法。

刮板法关键选用手术刀片对总体目标极片一侧开展刮划，可立即在扶手箱内实际操作，但该方式比较容易损害集液体，且用时较长，不建议选用。

擦拭法必须选用水作有机溶剂对负级片一侧开展擦洗，正级片则可选用NMP（N-羟基吡咯烷酮）作有机溶剂擦洗。擦洗至反面无显著特异性原材料（看着观察就可以）后，用冲压机床开展冲片解决，制取成标准尺寸的单双面极片。该方式实际操作简易，但易出現有机溶剂渗入或氛围渗入，对极片另一侧表层造成危害。此外，该方式无法制取极片边沿处试品，多用以制取极片管理中心地区试品。

反面贴胶法是中科院物理研究所（下称物理所）失灵说明精英团队最近发展趋势的一种两面极片解决方式，即选用边沿伸缩和反面贴导电胶，将总体目标极片的反面包囊于集液体和导电胶內部，产生单双面极片。该方式实际操作简单，能够便捷地在两面极片上随意位置抽样制做单双面极片，整 个全过程能够在扶手箱内进行。

单双面解决后的总体目标极片试品必须开展清理，目地是除去极片表层的锂盐和残留锂电池电解液。常选用的方式是将单双面极片泡浸于DMC 等有机溶剂中6～8 h，或用钝头医用镊子夹起来总体目标极片试品，并运用移液器或滴定管汲取DMC，对总体目标极片含活性物质一侧开展正脸清洗多次，或是二种方式融合应用。清理后，将极片放置真空泵仓内，真空干燥机除去有机溶剂。清理及真空干燥机均在扶手箱内开展。干躁后的极片可放置整平的模貝中以维持极片整平，便捷中后期扣式锂电池组装。

扣式锂电池组装方式

将准备好的极片迁移到可塑性氛围扶手箱内，提前准备扣式锂电池组装构件：负级壳、金属锂片、膈膜、垫圈、弹簧片、正级壳、锂电池电解液，除此之外还必须压片糖果模貝、移液器和绝缘层医用镊子。

拼装全过程如下图所显示：将负级壳放置于绝缘台面，将金属锂片放置负级壳管理中心，并且用压片糖果模貝对金属锂片开展整平化解决，随后将膈膜放置于锂片顶层，用移液器加入适量锂电池电解液滴添加膈膜表层。用绝缘层医用镊子将检测极片、垫圈、弹簧片和正级壳先后放置膈膜顶层，在其中检测极片的特异性原材料一侧需接近膈膜（图6）。

图6 扣式锂电池组装步骤

进一步，用绝缘层医用镊子将扣式充电电池负级侧朝上放置扣式充电电池全自动封口机模貝上，能用卫生纸垫于充电电池上边以消化吸收外溢的锂电池电解液，调节工作压力（一般为800Pa）抑制5s进行拼装制取扣式充电电池，用绝缘层医用镊子取下，观查制取外型是不是详细（图7）并且用卫生纸擦洗整洁。

图7 扣式充电电池封裝步骤

仿真模拟充电电池的拼装全过程与扣式充电电池类似，以中国科学院物理所的仿真模拟锂电池组装为例子，需提前准备拼装原材料包含：仿真模拟充电电池模貝（一个聚四氟乙烯內胆，一个聚四氟乙烯防水套管，正负壳和金属材料电导体柱），金属锂片，膈膜，锂电池电解液及被测极片。在其中被测极片规格不可以超出聚四氟乙烯內胆规格。如下图，将金属锂片、膈膜、聚四氟乙烯內胆先后放进负级壳模貝内，随后用移液器滴入一定量锂电池电解液，并将被测极片和金属材料电导体柱先后放进內胆中，确保特异性原材料一侧接近膈膜。进一步地，将套有聚四氟乙烯防水套管的正级壳模貝安裝在负级壳模貝上，进行仿真模拟充电电池的拼装。

图 8 仿真模拟锂电池组装流程表

试验室扣式充电电池制取中的常见问题

金属锂片、膈膜、锂电池电解液的挑选和解决

试验室用金属锂片可以出示遥远过多的锂源（1米A·h/cm2 等同于5 μm 厚锂箔，具体选购的锂片通常在400～500μm，等同于80～100mA·h/cm2,工业生产等级的正负极片单双面容积一般在2～4 mA·h/cm2），残渣少且规格需超过被测极片，一般可从有关公司或经销商处立即购置可塑性氛围维护下的金属锂片，并于可塑性氛围维护扶手箱内拆卸、应用。规定应用锂片纯净度不少于99.9%，用以制取扣式半充电电池时常常选用直徑 15～15.8毫米（相匹配极片规格为14mm的CR2032扣式充电电池），薄厚0.5～0.8 mm，表层竖直、银色明亮、无油斑、破孔和撕破。

膈膜的种类需依据试验规定开展挑选，一般为具备纳米技术孔隙度的绝缘层膜，吸咐锂电池电解液后可容许正离子双重传送，常选用单面或双层的高压聚乙烯或聚丙稀膈膜，一般挑选购置商业服务膈膜，并选用冲片机膈膜制取成规格标准的环形，规格需超过金属锂片和被测极片便于防护正负片，一般与扣式充电电池壳的內径同样（如CR2032 的应用膈膜直徑为15.5～16.5 mm）。试验室中常会选用Celgard2400 或Celgard2500 型号规格的工业级聚丙稀膜。

在拼装试验室用扣式锂电池时，一般挑选LiPF6管理体系锂电池电解液[如磷酸铁锂电池充电电池的锂电池电解液一般为浓度值1mol/L的LiPF6水溶液，以EC/DEC 为1∶1（容积比）溶液做为有机溶剂]，而且可依据试验规定开展挑选，如挑选一般配制锂电池电解液、带有某类或多种多样防腐剂的锂电池电解液等。扣式锂电池组装时锂电池电解液的消耗量一般为过多，当在扣式充电电池2032中锂电池电解液的消耗量一般为100～150μL，在仿真模拟充电电池中锂电池电解液的消耗量一般为200μL。如需开展长循环系统检测，可对锂电池电解液的量开展适度提升。

制取极片及充电电池的好坏挑选

制取后的极片表层整平，无显著大细颗粒物，且在烤制、常温下制冷、迁移全过程中无显著掉料状况，可分析判断极片制取达标。进一步可根据对极片的品质、薄厚、冲片后边沿的掉料水平开展比照，假如极片的品质、薄厚相距非常大，极片圆片的边沿掉料有所不同，表明极片制取的并不过关。应挑选在其中品质、薄厚和边沿掉料均一的极片拼装充电电池开展检测。

制取好的扣式充电电池和仿真模拟充电电池机壳模貝整平无毁坏，表层耐腐蚀印痕、无显著液漏状况。选用数字万用表或电池测试仪对制取充电电池开展开路电压检测，电池正极材料半充电电池开路电压在3 V 之上，电池正极材料半充电电池开路电压在2.5～3.5 V 内，说明拼装充电电池无显著短路故障状况，若开路电压出现异常则可视作拼装充电电池不过关。在挑选达标的扣式充电电池正级壳上放油性记号笔标明必需电量显示。

常见问题

在以金属锂做为负级的扣式半充电电池中，全充电电池中的电池正极材料这时事实上在扣式充电电池中也是正级。在扣式充电电池中需确保膈膜的直徑＞锂片的直徑＞极片的直徑。再用医用镊子挪动全部扣式充电电池的情况下，必须选用绝缘层医用镊子，避免 正负触碰短路故障。为确保中后期光电催化测试报告及充分考虑误差和错误操作，试验室拼装同一种原材料的扣式充电电池或仿真模拟充电电池总数一般不少于5 个。扣式充电电池和仿真模拟充电电池制取全过程置放锂片流程，需在锂片边沿光洁脸朝膈膜一侧置放，必需时可以用整平的与锂不反映的硬块铺平金属锂片的表层，以避免 锂片边沿毛边穿破膈膜造成 充电电池短路故障。扣式充电电池和仿真模拟充电电池各部件在应用前需开展清理，在其中不锈钢板构件可各自用去油渍清洁液、甲苯、酒精、水先后开展超声清洗，在应用去油渍清洁液清理时可适度提升 清理溫度做到除去构件表层油渍的目地。聚四氟乙烯构件则应用除甲苯之外的其他几类实验试剂开展清理。清理后的构件需要在烘干箱中开展风干解决。仿真模拟锂电池组装置放极口腔上皮细胞，特别注意极片易产生挪动旋转。应用医用镊子调节时非常容易产生极片损坏和锂电池电解液漏出来，提议应用钝头绝缘层医用镊子解决。

表1 拼装全过程造成的误差和整改措施