【原创文章*储能标准与规范*李泓等】锂离子扣式电池的组装，充放电测量和数据分析

研究背景

一种新的电池材料或体系的开发通常历经实验室研发、小试、中试以及规模放大和商业化应用5个阶段，其中实验室研发阶段是对材料或体系性能测试、验证以及价值判断的关键。实验室数据除了具有重要的科研价值外，还有助于在早期开发阶段判断某些材料及电池体系是否具有实际应用价值及商业开发价值。实验室扣式电池除了用于对现有材料的性能进行检测之外，还用于对新材料、新工艺产品进行初步的电化学性能测试与评价。显然，对新电池材料的性能进行较为准确的测量，对该材料的开发与制备、全电池设计与应用有着重要意义。而不同的电池测试方法对材料性能参数的测试结果会有明显的影响，因此，实验室扣式电池电化学性能测评方法的规范化，扣式电池测试数据如何对全电池设计提供更为准确的信息，如何根据扣式电池数据实现对电池材料的准确测试与电池整体的早期评价十分重要且必要。

现行的锂离子电池测试标准多针对电池单体或电池包等产品的安全性及电性能的测试，如IEC 62133、UL2054、UL 1642和JIS—C—8714等标准主要侧重于电池产品的安全性能方面，欧盟发布的IEC 61960，日本推出的JIS—C—8711则主要侧重于锂离子电池的电性能测试，国内针对单体电池制定的GB/T 18287《移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范》则包含了部分安全检测和性能测试项目。国内外也相继出台了多个特定领域的标准电池测试手册，且多是针对产业化的电池产品制定的，如《电动汽车动力性能试验方法》、《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》、《电动汽车用锂离子蓄电池》、《USABC电池试验程序手册》等。在参考以上行业标准的基础上，结合科研工作中的实际情况，本文主要介绍了锂离子电池扣式电池在实验室阶段的组装、充放电性能测试分析以及针对工业生产线电池极片的极片处理等内容。

创新点及解决的问题

锂离子电池材料在研发以及初期生产检测阶段，需要通过扣式电池对电化学性能进行测量。测试方法和分析方法的准确规范是精确分析评价电池材料、开发新材料及开发新电池体系的基础。本文总结了以往文献资料，结合实际工作经验，介绍实验室锂离子扣式电池组装流程、充放电性能测量和数据分析方法。

重点内容导读 

1  锂离子扣式电池的组装

1.1  极片的制备

1.1.1  材料的选择、称量

1.1.2  集流体的选择

1.1.3  极片涂覆制备工艺

手工混料涂覆流程如图1，机械混浆过程如图2。

图1  手工混料涂覆流程

图2  机械混料、手工涂覆流程

1.1.4  极片干燥条件、辊压工艺、极片压切与称量、真空烘烤

图3  手工冲压极片流程

图4  冲压后的极片称量及标记

图5  极片干燥烘烤流程

1.2  双面极片处理方法

1.3  扣式电池组装方法

组装过程如图6，封装流程如图7。

图6  扣式电池组装流程

图7  扣式电池封装流程

图8  模拟电池组装流程图

1.4  实验室扣式电池制备中的注意事项

1.4.1  金属锂片、隔膜、电解液的选择和处理

1.4.2  制备极片及电池的优劣选择

1.4.3  其它注意事项

2  充放电测试方法

2.1  实验仪器介绍

现阶段国内外相关单位使用的电池测试系统包括Arbin公司的电池测试系统、新威公司的电池测试系统、蓝电公司的系列电池测试系统以及MACCOR公司的电池测试系统等，见表1。此外拜特电池测试系统和Bitrode电池测试系统则多用于大容量电池、电池组等装置的测试分析。一些电化学工作站也具有扣式锂电池电化学性能测试功能，但由于通道设计、功能设计等原因，多用于电池的循环伏安法测试分析、阻抗测试及短时间的充放电测试，电化学工作站仪器厂家包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner（IM6）、上海辰华等。

在实验室锂电池的测试过程中，还经常要用到防爆箱和恒温箱。

参数	BT2000	BTS4000	LAND	Series 4000
电流精度	(±0.02%～±0.05%)FS	0.05%FS	0.1%RD +0.1%FS	0.02%FS
电压精度	(±0.02%～±0.05%)FS	0.05%FS	0.1%RD +0.1%FS	0.02%FS
测试参数	电流、电压、容量、能量、库仑效率、交流阻抗	电流、电压、容量、能量、库仑效率	电流、电压、容量、能量、库仑效率	电流、电压、容量、能量、库仑效率、交流阻抗、电压微分、温度
系统功能	恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试、阻抗测试	恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试	恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试	恒流充放电、恒压充电、恒电阻放电、脉冲充放电、循环性能测试、阻抗测试、循环伏安测试

表1  几种电池测试系统主要性能对比

图9  实验室用电池防爆箱和恒温箱

图10  不同设定温度的实验室用恒温箱

图11  恒温箱中扣式电池安装图

2.2  充放电测试常规实验流程

2.3  倍率充放电测试常规实验流程

2.4  充放电循环测试常规实验流程

2.5  高低温测试常规实验流程

3  数据分析

3.1  充放电测试数据分析

3.1.1  基本数据分析

（1）电压分析

（2）容量分析

3.1.2  充放电曲线分析

（a）

（b）

（c）

（d）

图12  几种不同材料组装半电池的“交叉式”充放电曲线

（a）

（b）

（c）

（d）

图13  几种不同材料组装半电池的“循环式”充放电曲线

（a）

（b）

图14  石墨/金属锂片扣式半电池的充放电曲线

3.1.3  极化情况分析

图15  富锂正极材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）的充放电曲线

3.1.4  微分曲线分析

图16  几种正极材料半电池的微分差容曲线

图17  硅碳混合材料/金属锂片半电池放电过程的微分电压曲线

3.2  倍率充放电测试数据分析

图18  MnO薄膜模拟电池的倍率性能图

（a）

（b）

图19  LiFe1−xMnxPO4/C电池中Mn区域过电位与不同电流密度对应曲线

图20  不同温度制备的MnO薄膜电极在不同电流密度下的过电位

3.3  充放电循环测试数据分析

（a）

（b）

（c）

（d）

图21  两种正极材料半电池的充放电循环测试曲线

（a）

（b）

图22  库仑效率

3.4  高低温充放电测试数据分析

（a）

（b）

图23  LiCoO2/MCMB电池在不同低温条件下的充电（a）和放电曲线（b）

3.5  分析数据与误差

表2  充放电曲线获得信息及数据分析总结

表3  锂离子扣式电池中正负极材料充放电测试中存在的误差及改进方法

	序号	误差内容	建议改进方法
极片制备可能引入的误差	1	材料误差	① 确定待测材料是否纯相 ② 待测材料尽可能干燥 ③ 材料颗粒分布尽可能均匀，避免大颗粒物质 ④ 非活性材料尽量选用同一批次或型号，如电解液、隔膜、导电添加剂、集流体、黏结剂、导电剂、壳体等
	2	称量误差	① 正负极材料的称量尽量采用精度较高的电子天平（称量精度不低于称量值的1%）；极片称量用天平精度不低于0.01 mg ② 待测极片尽可能干燥 ③ 测试极片负载的活性材料的质量不宜过少
	3	研磨及混料误差	① 研磨过程中尽量避免材料的损失 ② 混料过程中需注意将黏在容器壁上的材料处理并混入浆料中 ③ 研磨和混料的速度及时间需要控制，可凭经验进行调整 ④ 提高材料分散性，不同位置的比例与配方需保持一致 ⑤ 提高导电剂分散性，避免部分活性物质失去电接触
	4	涂片误差	① 刀片需提前做清洗、擦拭及安装调试等处理，避免涂片过程中涂片不均、刮破集流体 ② 选择密度、厚度均匀的集流体 ③ 涂片厚度需均匀
电池组装可能引入的误差	5	局部短路引起误差	① 避免内短路：采用隔膜尺寸大于正负极片和金属锂片，隔膜厚度适中，金属锂片和垫片边缘毛刺端避免贴近隔膜 ② 避免外短路，组装过程中采用绝缘镊子，在绝缘操作台下组装操作，封装电池时采用绝缘模具或进行绝缘处理
	6	组装材料引起的误差	① 同一组或一系列实验采用统一规格的组装材料，如电池壳、垫片、弹簧片、金属锂片、隔膜等 ② 对组装材料进行统一处理，如电池壳、垫片和弹簧片的清洗，金属锂片的平整处理等。避免电池壳、垫片等部件不干净有生锈等
	7	操作误差	① 使用钝头镊子夹取极片、隔膜等易损部件 ② 尽量避免镊子的交叉使用
电池测试可能引入的误差	8	测试仪器 误差	① 根据测试电池的实际测试范围选择高灵敏度测试仪器，特别是对于库仑效率测量 ② 尽量减小测试中的接触电阻
	9	测试环境（温度）误差	① 建议采用恒温箱进行电池测试 ② 测试过程中避免停电或人为改变测试环境
	10	操作误差	① 移动和安装测试电池时，测试人员需佩戴绝缘手套 ② 建议在测试过程中，在测试仪器醒目处标注测试信息 ③ 增加测试基数，避免实验误差

4  总结

结  论

本文通过对GO表面进行磺酸基修饰，得到含有—SO3H基团的SGO，将其与SPEEK共混制备了一系列S/SGO质子交换膜，并对该系列隔膜进行物理化学性能表征以及钒电池性能测试。SGO的加入提高了隔膜的离子选择性，其中S/SGO-1膜的质子选择性[14.14×104 (S·min)/cm3]比SPEEK膜[8.49×104 (S·min)/cm3]提高了66.5%。在50 mA/cm2电流密度下电池性能测试中，S/SGO-1膜的CE值、VE值、EE值分别可达95.5%、92.0%和87.8%，EE值明显高于Nafion115膜。100次循环后仍具有较好的稳定性，自放电时间可达78 h，是Nafion115的2.6倍，所有结果均表明S/SGO-1膜在VRB中有较好的应用前景。

引用本文

王其钰，褚 赓，张杰男，王 怡，周 格，聂凯会，郑杰允，禹习谦，李 泓. 锂离子扣式电池的组装，充放电测量和数据分析[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(2): 327-344. 

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