實驗室組裝扣式電池的流程介紹

扣式電池

本文主要對實驗室組裝扣式電池的流程進(jìn)行介紹，主要參考北工業(yè)王琦的《鋰離子模擬電池組裝手冊》、鄭州輕工學(xué)院張勇等人的《扣式鋰離子電池的制備工藝研究》以及一些網(wǎng)友意見和一些清華研友的工作經(jīng)驗。

首先說明一下，實驗室所說的扣式電池一般都是指半電池，即以鋰片為“負(fù)極”，我們自己做的極片為“正極”。所以，無論是正極還是負(fù)極材料，組裝扣式電池的流程都是一樣的。

一.扣式電池基本介紹

鋰離子扣式電池主要由以下幾部分組成：正極殼、負(fù)極殼、（正/負(fù)）極片、隔膜、墊片、彈片、電解液。

常用的扣式電池的電池殼為CR2032、CR2025、CR2016等，C代表扣電體系，R代表電池外形為圓形。前兩位數(shù)字為直徑（單位 mm），后兩位數(shù)字為厚度（單位 0.1 mm），取兩者的接近數(shù)字。例如 CR2032 的大略尺寸為直徑 20 mm，厚度 3.2 mm。

1.1 電池殼

下圖為CR2032扣式電池電池殼，正極殼較大，負(fù)極殼為表面有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且較小，所以一般組裝過程從負(fù)極殼開始。

圖1 CR2032扣式電池正極殼（左），負(fù)極殼（右）

1.2 極片

極片的制備工藝對電化學(xué)性能能否充分發(fā)揮有重要影響，我們會在2.1中重點講解，此處簡要介紹。下圖為正極材料所制備的極片。

圖2 正極片（左）與鋁箔（右）

正負(fù)極極片的制備流程相同，區(qū)別在于正極涂布在鋁箔上，負(fù)極涂布在在銅箔上，這是為何呢？

首先，兩者的導(dǎo)電性都相對較好，質(zhì)地比較柔軟，價格也相對較低。

其次，鋁本身比較活潑，在低電位下，鋁會出現(xiàn)嵌鋰，生成鋰鋁合金，不宜作為負(fù)極的集流體。如果使用鋁箔作為負(fù)極的集流體，鋁會和鋰形成合金，然后粉化，嚴(yán)重影響電池的壽命和性能。

最后，銅在高電位下容易氧化，不宜作為正極的集流體，銅表面的氧化層屬于半導(dǎo)體，電子導(dǎo)通，氧化層太厚時，阻抗會增加。同時鋰不會與同在地點為下形成嵌鋰合金。

什么樣的極片才是好極片？

應(yīng)該滿足這幾方面：（1）漿料涂布均勻，觀察不到明顯的厚度不均勻，特別薄的地方甚至能觀察到亮色的鋁箔；（2）極片保持完整圓形未受損壞，周圍盡量沒有毛刺；（3）極片涂布區(qū)域沒有顆粒物并且沒有明顯的掉粉現(xiàn)象。

1.3 隔膜

實驗室所用隔膜一般為Celgard2400或者Celgard系列其他產(chǎn)品，沖壓成小圓片后使用，直徑略大于正負(fù)極極片?？梢愿鶕?jù)電池性能要求不同選擇隔膜，關(guān)于隔膜的選擇和參數(shù)，請見后期關(guān)于鋰電池隔膜的選擇以及參數(shù)意義的介紹。

隔膜的作用是什么呢？

簡單的說，如果沒有隔膜，正負(fù)極就直接接觸，也就是會發(fā)生短路，這也就是為什么有的電池中要抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，就是防止其刺破隔膜，引起局部短路，而造成安全事故。隔膜一般采用聚乙烯等高分子材料，不導(dǎo)電，其結(jié)構(gòu)中有許多微孔，允許鋰離子通過,雖然它是絕緣體，但“不允許電子通過的說法并不準(zhǔn)確”。

1.4 鋰片（即負(fù)極片）

負(fù)極片直徑略小于負(fù)極殼直徑，CR2032的鋰片直徑為15.8mm，對應(yīng)的正極片也是15.8mm。值得注意的是：鋰片比較柔軟，容易變形，所以在裝電池前可以用正極殼（因為它比較大）將變形的鋰片壓平整。而且金屬鋰在空氣中極易氧化變質(zhì)，遇水容易爆炸，所以購買回來的金屬鋰片需要在手套箱中打開，打開時注意，不要損壞手套。

圖3 適合CR2032電池使用的金屬鋰片

1.5 墊片

墊片為圓形的鋁片，直徑與鋰片大小一樣，實驗中，可以根據(jù)需求購買不同規(guī)格和厚度等。

注意：墊片、正負(fù)極殼等組件，在使用前要用酒精反復(fù)超聲清洗，然后鼓風(fēng)干燥箱烘干

圖4 墊片

1.6 彈片（支撐片）

彈片主要是起到支撐電池的作用，如果沒有彈片，在壓電池的步驟中會把電池壓的很扁，內(nèi)部組件可能被壓壞。彈片只在負(fù)極側(cè)加，但是若正負(fù)極都加了彈片，壓電池步驟中不能將扣電封閉，導(dǎo)致電解液與空氣接觸，而實驗失敗。

圖5 彈片（支撐片）

1.7 電解液

不同的材料一般對應(yīng)不同的電解液，在進(jìn)行時實驗時千萬不要圖省事將就，小批量的電解液可以找公司索要，一般都會給。個別特殊的電解液，如低溫電解液等，可能需要購買，價格還不低。

二.扣式電池的組裝

2.1 正極片的制備

極片的制備主要分為兩個步驟：（1）漿料的制備；（2）涂布、干燥、壓片等步驟。

2.1.1 漿料的制備（以磷酸鐵鋰為例）

漿料由溶劑、正極材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成。

實驗室一般采用正極材料：導(dǎo)電劑：粘結(jié)劑的質(zhì)量比為80：10：10。當(dāng)然，這個比例可以自由調(diào)節(jié)，但調(diào)整過程需要大量的試錯。但一般來說，正極材料不低于75，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑不低于5。有時候為了達(dá)到高倍率性能，有報道中導(dǎo)電劑比例有達(dá)到40的情況。

若制備的正極材料較少，可以將三種物質(zhì)按比例混合，用吸管假如逐滴假如NMP，然后小研缽中研磨，這個過程中要注意溶劑NMP的量，若NMP加入的過多，可以在紅外紅燈下適當(dāng)烘干。

活性物質(zhì)較多時，取0.4g活性物質(zhì)，相應(yīng)的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的量為0.05g，使用20*20或者20*40規(guī)格的稱量瓶，先后加入NMP、活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，加入次序影響最終極片的制備質(zhì)量。根據(jù)《扣式鋰離子電池的制備工藝研究》以及一些研友的實驗經(jīng)驗，按以下次序添加各物質(zhì)，效果最好。

NMP和PVDF溶液的配制

首先，配制NMP和PVDF的溶液，這樣在每次配制漿料時能節(jié)省很多時間，可以配制0.02g/ml、0.025g/ml和0.03g/ml的三種，選擇合適自己材料的濃度使用。配制方法很簡單，只需要將兩種物質(zhì)在廣口瓶中混合就行，通過磁力攪拌，溶液中沒有白色物質(zhì)就行。需要注意的是：配制結(jié)束后，廣口瓶要通過封口膠密封，因為NMP容易吸水或者變質(zhì)。

漿料的配置步驟：

第一步：用移液槍量取2ml的0.025g/ml 的NMP/PVDF溶液，放入D15攪拌子進(jìn)行磁力攪拌；

第二步：稱取0.05g導(dǎo)電劑Super P緩慢加入稱量瓶中，攪拌20min。加入過程中盡量不要使導(dǎo)電劑碰到上側(cè)瓶壁，更不要因為加入的太快而使導(dǎo)電劑散出稱量瓶。

第三步：稱取0.4g活性物質(zhì)，加入稱量瓶中。注意事項同上，加入后攪拌4-5小時，攪拌時間不固定，以漿料粘稠狀態(tài)為準(zhǔn)。

另有報道，在磁力攪拌后，進(jìn)行15min的超聲攪拌，性能更好。

何種漿料狀態(tài)為最好？

一般來說，輕輕晃動稱量瓶，混合物既不是粘度很高無法流動，又不是像水一樣易動而不掛壁即可。太稠可以加入一滴NMP繼續(xù)攪拌一會兒，一般一滴就足夠了。太稀可以將稱量瓶放入鼓風(fēng)干燥箱烘干一會兒。

也可使用王琦師兄的配料方式，不過這種方式耗時較長。

注意：第二三步的順序盡量不要顛倒。

2.1.2 極片的涂布

一般使用刮刀和流延涂覆機(jī)，進(jìn)行涂布，正極材料涂布在鋁箔上，負(fù)極涂布在銅箔上。沒有涂覆機(jī)的同學(xué)可以使用玻璃板和刮刀進(jìn)行涂布。涂布過程比較簡單，但是需要注意以下幾點

（1）鋁箔需要平整，要盡可能的減少褶皺；（2）涂布前要用酒精和脫脂棉仔細(xì)清潔鋁箔和涂覆機(jī)平臺；（3）脫脂棉清潔后要用衛(wèi)生紙小心清潔一次，一來去掉可能存在的棉絮二來不要劃傷鋁箔。

2.1.3 極片的干燥和壓片

之所以要單列一節(jié)，是因為這是個需要嚴(yán)格執(zhí)行的過程，但是干燥溫度可以有變化。另外,極片質(zhì)量的好壞可以用掉粉程度來衡量,若掉粉容易,電池在循環(huán)過程中,活性物質(zhì)會從鋁箔上脫落,溶解在電解液里,隔膜會被染黑。

干燥的目的在于去除漿料中大量的溶劑NMP以及其中的水分，所以要經(jīng)過鼓風(fēng)干燥和真空干燥兩個步驟。每個步驟的具體溫度和時間，不同工作中有不同的報道，但需要注意：

（1）干燥NMP的溫度不需要太高，但由于溶劑太多，需要較多的熱量，所以干燥時間較長；

（2）由于水的沸點是100℃，所以鼓風(fēng)干燥的溫度需要較高，但由于水分含量較少，干燥時間可以縮短，在鼓風(fēng)干燥時，可以設(shè)置兩個溫度段，每個溫度時間不同，最高溫度可以設(shè)置為100℃。另外負(fù)極的干燥溫度應(yīng)低于正極，有時候出現(xiàn)銅箔氧化的現(xiàn)象；

注意：干燥溫度過高和時間過長，會出現(xiàn)嚴(yán)重的掉粉行為，關(guān)于鼓風(fēng)干燥的溫度，正極不應(yīng)超過120℃，負(fù)極不超過90℃。

（3）鼓風(fēng)干燥后，要經(jīng)過真空干燥，溫度一般設(shè)定為120℃，時間10小時左右。但不可以不經(jīng)過鼓風(fēng)干燥直接進(jìn)行真空干燥，這樣操作會導(dǎo)致NMP充滿于真空干燥箱內(nèi)，而使干燥效果不好。不經(jīng)過真空干燥也是可以的，但是有條件的最好不要省略這個步驟。

2.1.4 壓片

涂布后，干燥出的復(fù)合材料涂層比較疏松。若直接使用，被電解液浸潤后容易脫落損壞?？刹捎脤仚C(jī)或者壓片機(jī)等進(jìn)行壓片處理，對輥機(jī)一般可將正極片涂層壓制到15-60μm。壓片機(jī)可以采用大約80-120kg/cm2壓強(qiáng)進(jìn)行壓制。壓片后的電極，穩(wěn)定性、牢固性以及電化學(xué)性能都獲得了改善，測試表現(xiàn)要好于不壓片的樣本。壓片主要目的有兩個：一是為了消除毛刺，使表面光滑、平整，防止裝電池時毛刺刺破隔膜引起短路；二是增強(qiáng)極片的強(qiáng)度，減小歐姆阻抗。壓力過大會引起極片的卷曲，不利于電池裝配，壓力過小又起不到壓片的作用。

裁剪隔膜、極片以及活性物質(zhì)含量計算的步驟在此忽略，較為簡單，有問題請在材料人微信或者材料牛原網(wǎng)頁留言。

2.1 扣式電池的組裝

2.1.1 必備物品：

手套箱內(nèi)：壓片機(jī)(最好帶數(shù)顯)、鑷子2把（至少有一把是塑料鑷子）、藥匙1把、電解液、鋰片、磨口玻璃瓶(配膠頭滴管)、注射器、干燥紙巾等清潔用品；

手套箱外：扣式電池殼、集電器、彈簧片（或泡沫鎳）、正極片、隔膜片；

注意：電池組裝部件在放入手套箱中之前，要進(jìn)行4小時左右的真空干燥處理，溫度不宜太高，可以設(shè)置在60-80℃溫度。容量較大的手套箱可事先這些存儲電池部件，更清潔。原料入進(jìn)箱艙門后，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行排氣-進(jìn)氣操作，至少三次。建議在手套箱內(nèi)專門放一個小型操作臺，以防試劑腐蝕手套箱。電解液對于手套和手套箱內(nèi)壁的腐蝕比較嚴(yán)重，應(yīng)該盡量避免操作失誤。

2.1.2 確定水氧含量

一般的手套箱都有水氧含量的數(shù)顯檢測儀，布萊恩的手套箱水氧含量可以控制在低于0.05PPM，但不同手套箱的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。組裝電池的過程，都在已經(jīng)嚴(yán)格進(jìn)行了排氣-進(jìn)氣操作的手套箱中，嚴(yán)格隔絕任何可能的氧化、潮濕等干擾。若手套箱的水氧含量一直較高，應(yīng)該檢查手套是否破損或者對手套箱進(jìn)行再生。

2.1.3 組裝過程

扣式電池組裝次序主要有兩種，我們實驗室一般習(xí)慣從負(fù)極殼開始，但也可以從正極殼開始，這個沒有對錯之分，全看個人習(xí)慣。

|負(fù)極殼|彈片|墊片丨鋰片丨電解液|隔膜|電解液|正極片|墊片丨正極殼|

三.一些問題出現(xiàn)的原因

電池組裝后，在測試時會出現(xiàn)一些問題，以下是可能遇到的問題以及部分解釋

3.1 開路電壓低的原因

（1）極片的毛刺穿破隔膜，造成電池短路；

（2）電池裝配過程中，正負(fù)極偏移，導(dǎo)致短路；

（3）壓電池步驟出錯，導(dǎo)致電池裝配不緊密，電池正負(fù)極外殼與正負(fù)極片虛接，造成短路。

3.2 電化學(xué)阻抗大

（1）導(dǎo)電劑添加量不夠；

（2）隔膜的孔隙率小，使得電解液中的鋰離子不能能夠順利通過；

（3）電解液分解，其中的鋰鹽減少。

電池的組裝是一個熟能生巧的過程，前一兩次裝壞幾個電池是一件很正常的事，不要灰心。