实验 锂离子电池的测试

实验1.5 锂离子电池的测试

一.实验目的

1、了解可充锂离子电池的工作原理

2、了解电解质溶液的导电机理

3、掌握纽扣锂离子电池的电极材料、电极的制备工艺及纽扣锂离子电池的装配

4、掌握锂离子电池电性能测试方法

二.实验原理

可充锂离子电池工作原理：充电时锂从氧化物正极晶格间脱出，锂离子迁移通过有机电解液，嵌入到碳材料负极中，同时电子补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡；放电时则相反，锂从负极碳材料中脱出回到氧化物正极中。锂离子电池的充放电反应通常可简单表示为（正向反应为充电过程，逆向反应为放电过程，其中 Me 为过渡金属，如Co、Mn、Ni等）：

Li x MeO2+ 6C →MeO2+LixC6

在充放电过程中，Li＋在正负极间嵌入脱出往复运动犹如来回摆动的摇椅，因此这种电池又被称“Rocking-chair batteries”，即摇椅式电池。锂离子充放电的原理与结构示意图：

图1.5.1 典型的锂离子电池示意图

下面以尖晶石型LiMn2O4为正极材料、富锂层状石墨为负极，叙述锂离子电池充放电过程：

（1）正极

放电时，正极从外部电路获得电子，锂离子嵌入正极材料，部分Mn 4+被还原为Mn 3+；充电时，正极把电子释放给外部电路，锂离子从正极材料中脱嵌进入电解液，电极反应为

+-x 24x+y 24Li Mn O +yLi +ye Li Mn O 放电

充电

（2） 负极

放电时，负极石墨层间的锂离子脱嵌进入电解液，电子通过外电路释放，充电时，负极从外部电路获取电子，锂离子嵌入石墨层间，相应的电极反应为：

++-z z-y Li C Li C+yLi +ye 放电

充电

对于磷酸钛锂的充放电反应是在LiTi 2(PO 4)3和Li 3Ti 2(PO 4)3两相间进行的，充电时Li +嵌入LiTi 2(PO 4)3中转化为结构相似的Li 3Ti 2(PO 4)3，放电时Li +从Li 3Ti 2(PO 4)3中脱出形成LiTi 2(PO 4)3：

充电反应：+-2433243LiTi (PO )+2Li +2e Li Ti (PO )−−−→充电

放电反应：+-3243243Li Ti (PO )LiTi (PO )+2Li +2e −−−→放电

锂离子插入和脱出磷酸钛锂结构的过程中，电压维持在2.5V 。

锂离子在电解液中通过微孔薄膜往返迁移，然后嵌入到电极中。电子通过外电路转移释放或者消耗能量。从锂离子电池的充放电过程，可以看到锂的化合态始终为+1价，无0价（金属锂）转变，所以这种二次电池称为“锂离子电池”。

电解质体系

1） 非水电解质：非水锂离子电池的电压在 3 V 以上，金属锂非常活泼，需要使用有机电解液体系。通常在有机溶剂中溶解含有锂离子的电解质。例如溶解有 1 mol/L LiPF 4的 EC ＋DMC （体积比 1：1）有机电解质溶液。

2） 水相电解质：与水可发生剧烈反应，传统的水溶液体系不能适应锂电池，

隔膜：电池中隔膜的主要作用是离子的导体，并且将电池的正负极隔离以防止电池短路。非水有机锂离子电池一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜，例如 Celgard2325 型隔膜。水相锂离子电池体系通常采用亲水性多孔的隔膜，可以是聚合物多孔膜或无机纤维膜等。

图1.5.2. 锂离子电池示意图：a) 柱状电池，b) 纽扣电池， c) 方形电池， d）薄层电池。（Tarascon J.M. & Armand M. Nature 2001, 414, 359）

三.仪器设备

新威八通道电池充放电测试仪、干燥箱、扣式电池封口机、电子天平、粉末压片机、切片机、玛瑙研钵、干燥器等

四.实验原料

高压氩气（瓶）、1mol/L Li2SO4电解液、Celgard陶瓷隔膜，石英棉、LiMn2O4正极电极片，电池壳（CR2016）、电极片（正极、负极）

五.实验步骤

1.称重：将实验1.3中称重电极片，并计算所涂实际正极活性物质量（80%）。

2.配置电解液1 M Li2SO4（或LiNO3）溶液。

3.冲制玻璃纤维隔膜片，在切片机上切出直径为16 mm的纤维片；

4.冲制LiMn2O4电极片，在切片机上冲出直径为16 mm的电极片；并计算电极片的

活性物质的质量

5.组装电池：取正极壳口（正极壳一般较大，切朝外一面上面有+号）朝上，放入正

极电极片，保证活性物质的面向上（一般黑色面为电极面）；然后放入玻璃纤维隔

膜片1片；滴加数滴电解质溶液保证能够润湿电极片和隔膜；然后将负极电极片放

入（保证活性物质面向下）；（根据电池壳的尺寸决定是否放入垫片和弹簧片）；

盖上负极壳。

6.封口：用塑料镊子将电池壳小心放到封口机上，保证电池的正极壳在下面、负极壳

朝上（负极一般上面为粗糙一面）；调整至中心；关上封口机的油压阀门；反复压下手柄直至压力到5 Mp以上，将电池壳封住。

7.取下电池，用纸巾将溢出的电解质擦干净；

8.用万用表测试电池的开路电压（可能有偏差，但不应等于零）、测试电池的电阻

（不应等于零）。经过老化处理数小时。

9.将密封好的电池连接到新威电池测试系统上，在室温下及 0.5-1.8 V 间测试电池性

能。预先编好充放电程序，输入活性物质量。

例如充电：设定电流如50 mA/g，充电结束电压为1.8 V

放电：设定电流如50 mA/g，放电结束电压为0.5 V

循环次数：50圈

六.注意事项

1.电池组装、测试过程中不能短路

2.不可用手直接触摸电极片

七.实验报告要求

1.画出样品电压－比容量变化曲线

2.画出比容量－循环次数、库伦效率－循环次数曲线

3.以上述数据分析锂离子电池的性能

八.思考题

1.实验过程中检测电池的性能时，测试电压范围为什么限制在一定区间，不能超过太

多？（可以从水的分解电位角度考虑）

2.对锂电池电极材料制备、表征和电池组装测试有什么建议？