最详细扣式电池极片制备和电池组装教程

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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 ）不超过μ ，max 50 m

工业应用一般 Dmax 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

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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/cm 2，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。