锂离子电池的电化学性能表征

五、电池的电化学性能表征

电池序号及材料质量分别为：

（1）循环伏安的测试

1、原理：

对研究电极在一定的电位范围内施加按一定速率线性变化的电位信号，当当电位达到扫描范围的上下限时在反向扫描至下上限，即用三角波电势信号扫描，同时自动测量并记录电位扫描过程中电极上的电流响应，多次扫描得到I与E的关系。本试验可通过CV图研究电极反应过程与可逆性。

2、测试方法：

电位扫描范围：3.0V—4.2V，扫描速度：0.2mV/s-1,循环次数为三次，测试时间为10小时。

3、分析

将实验测得的数据用origin作图得：

由图可知，循环伏安图中出现了明显的氧化还原峰，第一次扫描的氧化还原电对为：3.761/4.12，第二次和第三次扫描后，氧化电位降低，还原电位增大，电势差减小，说明在扫描过程中电极没有发生明显的极化，同时后两次扫描的CV曲线重合度较好，说明电极的可逆性较好。

(2)恒流法充电性能测试

测试三个电池，一个由老师提供的标准电池，两个为实验课制作的电池。

序号5678

材料质量/g0.01290.01180.01200.0118

由I=200*B*倍率求算出每个倍率下的测试电流为：

9号为老师提供的电池，现对5、6、9号电池进行充放电测试。

○一充放电曲线图为：

○9号：

6号：

序号0.2C电流/mA0.5C电流/mA1C电流/mA2C电流/mA3C电流/mA5C电流/mA10C电流/mA

50.240.6 1.2 2.4 3.6612

60.20480.512 1.024 2.048 3.072 5.1210.24

70.21120.528 1.056 2.112 3.168 5.2810.56

80.20480.512 1.024 2.048 3.072 5.1210.24

90.105920.26480.5296 1.0592 1.5888 2.648 5.296

○5号：

如图所示，5号电池几乎不放电，可能是活性物质脱落，导致电极反应不能正常进行。而6号的放电性能较好，较平稳，老师提供的电池比容量最高达到了137mAh/g，同文献中实际容量140mAh/g比较相近，电池质量较好。而本实验中的6号电池的计算容量值达到了190mAh/g，超过文献值比较大，可能是在电池称量和充放电测量时存在误差。

○二循环倍率图

由上可知，6号电池的性能比较，故选用6号进行此项分析

如图可知，电池刚开始循环是比容量较高，随着循环次数的增大，比容量不断下降，但是在相同倍率下时，比容量基本保持稳定（除了大于5C），说明电池放电容量受循环次数和倍率的影响较大。

（3）交流阻抗的测试

1、原理

给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，测量交流电势与电流信号的比值随正弦波频率的变化。由此可以测得电极的电阻值。

2、数据分析

由于测量此项时选用了五号，而由充放电测试结果可知五号电池基本未放电，交流阻抗结果发现充放电后并没有明显出现SEI膜的阻抗图，故选用第一小组的测量结果进行与之比较，分析原因。

拟合电路为：LR(QR)(QR)

数据一：

①充放电前：

index fixed symbol start end% error

1 0 L 3.55E-07 3.56E-0718.19

2 0 R 1.215 1.214 3.402

3 0 Q 0.0044810.0044810.5174

4 0 n 0.80.93360.2998

5 0 R 1.47E+04 1.47E+0567.07

6 0 Q 2.63E-05 2.63E-05 4.726

7 0 n 0.80.74840.6253

8 0 R 46.1346.140.5363

②充放电后：

由上图表可知，充电前，电阻值从左到右为：1.215，1.47E+04，46.13，结果可发现在充电前，拟合出来的SEI膜的电阻值很大（1.47E+04），说明此时并未存在SEI膜，同拟合图相对应，只出现一个半圆。充放电后，拟合图中并未明显出现两个半圆，不过从阻值来看，R SEI=425.4，有减小的趋势，说明充放电过程中的确有电流通过，但性能不好，没有明显的充放电痕迹，同充放电测试的结果相对应。原因可能是电极制作时，正极有所缺陷，粘结性不够好，导致锂离子无法正常嵌入\脱出，或是活性材料发生脱落。

数据二（用了第一组的数据）：

充电后：

index fixed symbol start

end% error

1 0 L 3.92E-07 3.93E-0718.04

2 0 R 1.158 1.158 3.791

3 0 Q0.0042180.0042180.5772

4 0 n0.80.92920.3389

5 0 R425.4 4.25E+062029

6 0 Q 1.99E-05 1.99E-05 4.836

7 0 n0.80.76520.6219

8 0 R55.7155.710.5602

由上图可知，具有明显的两个半圆，说明通过充放电循环形成了SEI膜，其阻值为35.49欧姆。在锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，具有固体电解质的特征,是电子绝缘体，却是Li+的优良导体,Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出。所以在电化学阻抗测试的时候，比原先多了一个阻抗值SEI阻值。由测量结果可知，所测的的阻值为：RΩ=1.301欧姆，R SEI=35.49欧姆，Rct=177.6欧姆。

（4）总结扣式电池制备过程中的注意事项

1、将正极材料与导电剂等添加剂混合时应该充分研磨，致使混合均匀，加入PVDF后要研磨适当，不可研磨太过，导致太干燥，会影响电池性能。

2、刮片时注意用力均匀适当，保证材料厚度的均匀。

3、冲片前检查材料是否易脱落，材料易脱落的电极会影响充放电性能，可能不放电。

4、电池组装时应该尽量避免电解液长时间暴露于空气中，电解液的挥发会导致电池性能的下降。

5、从极片制作好之后，减少极片流转过程中的时间，在最短时间内制作成电池，加强质量监督。