2018-11-13 终于找到了!史上最详细扣式电池极片制备和电池组装教程

终于找到了！史上最详细扣式电池极片制备和电池组装教程

2018-11-13 V 微算云平台

实验室锂离子扣式样品电池，包括半电池（half cell，正极极片/金属锂片、负极极片/金属锂片）、全电池（正极极片/负极极片）以及对称电池（正极极片/正极极片、负极极片/负极极片）。扣式电池由成套的扣式电池壳及内部组件构成，不锈钢电池壳电化学稳定性好、密封性良好、尺寸较小、组装较为简单、价格便宜、适用温度为40～80℃，适合大量测试使用。

最近国内外企业开始研制高通量扣式电池自动组装设备，用于电池关键材料的批量加速验证和研发。一般的扣式电池壳型号有CR2032、CR2025、CR2016等，实验室中常采用CR2032 型电池壳（即直径为20 mm，厚度为3.2 mm）。扣式电池壳用后则报废，需增加金属回收环节以免浪费和污染环境。还有一种可重复使用的电池——Swagelok电池，又称为模拟电池，也经常用于实验室测试，其电池壳采用不锈钢外壳和聚四氟乙烯内胆，可重复使用。Swagelok型电池拆解便捷，适合用于电池拆解分析。但模拟电池相对成本较高，且组装出一致性较好的电池需要规范的训练和一定经验。

一套CR2032 型电池壳包括：负极壳，弹片，两个垫片。组装一个扣式电池的基本步骤包括：制浆、涂布、烘干、裁片、组装。下面进行详细解释。

极片的制备

实验室用极片制备过程可分为混料和涂覆两个步骤。其中混料工艺主要包括手工研磨法和机械混浆法，涂覆工艺则包括手工涂覆和机械涂覆。实验室进行混料时，依据供料的多少来确定采用手工研磨法或机械混浆法，如活性材料的质量在0.1～5.0 g时建议采用手工研磨法，活性材料的质量超过5.0 g时，建议采用实验室用混料机进行混料。实验室中每次混浆量有限，常采用手工涂覆，当浆料足够时可采用小型涂覆机。整个极片制作过程需要在干燥环境下进行，所用材料、设备都需要保持干燥。图1为手工混料、手工涂覆方法制备极片过程，包括材料准备、活性材料和导电剂的称取和

研磨、加入黏结剂、浆料研磨、取出浆料手工涂布极片、极片烘烤等步骤。

（1）制浆制浆过程需要用到活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂、转子、称量瓶等。

活性物质：实验室用正、负极材料（活性物质）可以采购，也可以自行制备，一般为粉末材料，颗粒尺寸不宜过大，便于均匀涂布，同时避免由于颗粒较大导致测试结果受到材料动力学性质的限制较大以及造成的极片不均匀性问题。实验室研究一般最大颗粒直径（D max）不超过50 μm，工业应用一般D max不超过30 μm。较大颗粒、团聚体或者纳米级别，需做研磨、过筛处理。

导电剂：常用的导电剂为碳基导电剂，包括乙炔黑（AB）、导电炭黑、Super P、350G 等导电材料。

粘结剂：常用粘结剂体系包括聚偏氟乙烯-油性体系[即poly(vinylidene fluoride)，PVDF 体系]以及聚四氟乙烯-水性体系[即poly(fluortetraethylene)，一般为乳液，简称PTFE 体系]，SBR（丁苯橡胶）乳液等。

常用质量配比为活性物质：导电剂：粘结剂=8:1:1（或8:1.5:0.5，可以根据材料适当调整，但一般来说，正极材料不低于75，导电剂和粘结剂不低于5）

溶剂：常采用NMP（N-甲基吡咯烷酮）。

NMP和PVDF溶液的配制：配制NMP和PVDF的溶液，可以配制0.02 g/mL、0.025 g/mL和0.03 g/mL的三种，选择合适自己材料的浓度使用。配制方法很简单，只需要将两种物质在广口瓶中混合就行，通过磁力搅拌，溶液中没有白色物质就行。需要注意的是：配制结束后，广口瓶要通过封口胶密封，因为NMP容易吸水或者变质。其中要注意的是需先将粘结剂（如PVDF）加入溶剂NMP中，在50℃以下搅拌至PVDF完全溶解。

（2）浆料的配置步骤：

图1：机械混料、手工涂覆流程

第一步：用移液枪量取2 mL的0.025 g/mL 的NMP/PVDF溶液，放入D15搅拌子进行磁力搅拌；

第二步：称取0.05 g导电剂Super P缓慢加入称量瓶中，搅拌20 min。加入过程中尽量不要使导电剂碰到上侧瓶壁，更不要因为加入的太快而使导电剂散出称量瓶。

第三步：称取0.4 g活性物质，加入称量瓶中。注意事项同上，加入后搅拌4-5小时，搅拌时间不固定，以浆料粘稠状态为准。

小贴士：何种浆料状态为最好？

一般来说，轻轻晃动称量瓶，混合物既不是粘度很高无法流动，又不是像水一样易动而不挂壁即可。太稠可以加入一滴NMP继续搅拌一会儿，一般一滴就足够了。太稀可以将称量瓶放入鼓风干燥箱烘干一会儿。

在混料过程中需将黏在壁上的材料处理并混入浆料中，防止因为比例不对造成计算材料比例时出现偏差。混浆过程时间过短或过长、浆料不匀或过细都会影响到极片整体质量和均匀性，并直接影响材料电化学性能发挥及对其的评价。

（3）极片的涂布

集流体的选择锂离子电池极片的正、负极集流体分别为铝箔和铜箔，

如果选用单面光滑的箔材，建议在粗糙的一面上涂布，以增加集流体与材料之间的结合力。箔材的厚度没有特殊要求，但对箔材的面密度均匀性有很高要求。如果是硅基负极材料，可以选用涂碳铜箔以提高黏附性，降低接触电阻，增加测试结果的重现性，提高循环性能。

一般使用刮刀和流延涂覆机，进行涂布，正极材料涂布在铝箔上，负极涂布在铜箔上。没有涂覆机的同学可以使用玻璃板和刮刀进行涂布。涂布过程比较简单，但是需要注意以下几点

（1）铝箔需要平整，要尽可能的减少褶皱；

（2）涂布前要用酒精和脱脂棉仔细清洁铝箔和涂覆机平台；

（3）脱脂棉清洁后要用卫生纸小心清洁一次，一来去掉可能存在的棉絮二来不要划伤铝箔。

此外，特别需要注意的是，一般极片的面容量设为2～4 mA·h/cm2，最低不建议低于 1 mA·h/cm2，这样的活性物质负载量与工业应用的更为接近，便于准确对标评价材料的倍率和低温特性。个别情况下，可以超过这一负载量，例如针对厚电极的研究。低于这一面容量制作的极片，一方面，称量误差较大；此外，由于极片薄，动力学性能较好，体积变化较小，电解液相对远远过量，这样有利于测到材料的最高容量，但半电池测到的倍率、循环性有可能会显著高于实际全电池工作条件下的性能，此时的动力学及循环性数据结果并不能和大容量实际电池有较好的对应关系。当然，即便和实际体系的要求有差异，但如果所有材料按照同一极片的制作条件来对比，对于比较材料的性能差异也有一定意义。但不同极片制作条件下的动力学、循环性能数据对比，往往可靠性低，而实验室手工制作的薄极片的一致性往往很难保证。

小知识：正负极极片的制备流程相同，区别在于正极涂布在铝箔上，负极涂布在在铜箔上，这是为什么呢？

首先，两者的导电性都相对较好，质地比较柔软，价格也相对较低。

其次，铝本身比较活泼，在低电位下，铝会出现嵌锂，生成锂铝合金，