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研究背景 一種新的電池材料或體系的開發(fā)通常歷經(jīng)實驗室研發(fā)、小試、中試以及規(guī)模放大和商業(yè)化應(yīng)用5個階段，其中實驗室研發(fā)階段是對材料或體系性能測試、驗證以及價值判斷的關(guān)鍵。實驗室數(shù)據(jù)除了具有重要的科研價值外，還有助于在早期開發(fā)階段判斷某些材料及電池體系是否具有實際應(yīng)用價值及商業(yè)開發(fā)價值。實驗室扣式電池除了用于對現(xiàn)有材料的性能進行檢測之外，還用于對新材料、新工藝產(chǎn)品進行初步的電化學(xué)性能測試與評價。顯然，對新電池材料的性能進行較為準確的測量，對該材料的開發(fā)與制備、全電池設(shè)計與應(yīng)用有著重要意義。而不同的電池測試方法對材料性能參數(shù)的測試結(jié)果會有明顯的影響，因此，實驗室扣式電池電化學(xué)性能測評方法的規(guī)范化，扣式電池測試數(shù)據(jù)如何對全電池設(shè)計提供更為準確的信息，如何根據(jù)扣式電池數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電池材料的準確測試與電池整體的早期評價十分重要且必要。 現(xiàn)行的鋰離子電池測試標準多針對電池單體或電池包等產(chǎn)品的安全性及電性能的測試，如IEC 62133、UL2054、UL 1642和JIS—C—8714等標準主要側(cè)重于電池產(chǎn)品的安全性能方面，歐盟發(fā)布的IEC 61960，日本推出的JIS—C—8711則主要側(cè)重于鋰離子電池的電性能測試，國內(nèi)針對單體電池制定的GB/T 18287《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》則包含了部分安全檢測和性能測試項目。國內(nèi)外也相繼出臺了多個特定領(lǐng)域的標準電池測試手冊，且多是針對產(chǎn)業(yè)化的電池產(chǎn)品制定的，如《電動汽車動力性能試驗方法》、《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》、《電動汽車用鋰離子蓄電池》、《USABC電池試驗程序手冊》等。在參考以上行業(yè)標準的基礎(chǔ)上，結(jié)合科研工作中的實際情況，本文主要介紹了鋰離子電池扣式電池在實驗室階段的組裝、充放電性能測試分析以及針對工業(yè)生產(chǎn)線電池極片的極片處理等內(nèi)容。  創(chuàng)新點及解決的問題 鋰離子電池材料在研發(fā)以及初期生產(chǎn)檢測階段，需要通過扣式電池對電化學(xué)性能進行測量。測試方法和分析方法的準確規(guī)范是精確分析評價電池材料、開發(fā)新材料及開發(fā)新電池體系的基礎(chǔ)。本文總結(jié)了以往文獻資料，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，介紹實驗室鋰離子扣式電池組裝流程、充放電性能測量和數(shù)據(jù)分析方法。 重點內(nèi)容導(dǎo)讀 1 鋰離子扣式電池的組裝 1.1 極片的制備 1.1.1 材料的選擇、稱量 1.1.2 集流體的選擇 1.1.3 極片涂覆制備工藝 手工混料涂覆流程如圖1，機械混漿過程如圖2。  圖1 手工混料涂覆流程  圖2 機械混料、手工涂覆流程 1.1.4 極片干燥條件、輥壓工藝、極片壓切與稱量、真空烘烤  圖3 手工沖壓極片流程  圖4 沖壓后的極片稱量及標記  圖5 極片干燥烘烤流程 1.2 雙面極片處理方法 1.3 扣式電池組裝方法 組裝過程如圖6，封裝流程如圖7。  圖6 扣式電池組裝流程  圖7 扣式電池封裝流程  圖8 模擬電池組裝流程圖 1.4 實驗室扣式電池制備中的注意事項 1.4.1 金屬鋰片、隔膜、電解液的選擇和處理 1.4.2 制備極片及電池的優(yōu)劣選擇 1.4.3 其它注意事項 2 充放電測試方法 2.1 實驗儀器介紹 現(xiàn)階段國內(nèi)外相關(guān)單位使用的電池測試系統(tǒng)包括Arbin公司的電池測試系統(tǒng)、新威公司的電池測試系統(tǒng)、藍電公司的系列電池測試系統(tǒng)以及MACCOR公司的電池測試系統(tǒng)等，見表1。此外拜特電池測試系統(tǒng)和Bitrode電池測試系統(tǒng)則多用于大容量電池、電池組等裝置的測試分析。一些電化學(xué)工作站也具有扣式鋰電池電化學(xué)性能測試功能，但由于通道設(shè)計、功能設(shè)計等原因，多用于電池的循環(huán)伏安法測試分析、阻抗測試及短時間的充放電測試，電化學(xué)工作站儀器廠家包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner（IM6）、上海辰華等。 在實驗室鋰電池的測試過程中，還經(jīng)常要用到防爆箱和恒溫箱。
表1 幾種電池測試系統(tǒng)主要性能對比  圖9 實驗室用電池防爆箱和恒溫箱  圖10 不同設(shè)定溫度的實驗室用恒溫箱 圖11 恒溫箱中扣式電池安裝圖 2.2 充放電測試常規(guī)實驗流程 2.3 倍率充放電測試常規(guī)實驗流程 2.4 充放電循環(huán)測試常規(guī)實驗流程 2.5 高低溫測試常規(guī)實驗流程 3 數(shù)據(jù)分析 3.1 充放電測試數(shù)據(jù)分析 3.1.1 基本數(shù)據(jù)分析 （1）電壓分析 （2）容量分析 3.1.2 充放電曲線分析 （a） （b） （c） （d） 圖12 幾種不同材料組裝半電池的“交叉式”充放電曲線 （a） （b） （c） （d） 圖13 幾種不同材料組裝半電池的“循環(huán)式”充放電曲線 （a） （b） 圖14 石墨/金屬鋰片扣式半電池的充放電曲線 3.1.3 極化情況分析 圖15 富鋰正極材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）的充放電曲線 3.1.4 微分曲線分析 圖16 幾種正極材料半電池的微分差容曲線 圖17 硅碳混合材料/金屬鋰片半電池放電過程的微分電壓曲線 3.2 倍率充放電測試數(shù)據(jù)分析 圖18 MnO薄膜模擬電池的倍率性能圖 （a） （b） 圖19 LiFe1?xMnxPO4/C電池中Mn區(qū)域過電位與不同電流密度對應(yīng)曲線 圖20 不同溫度制備的MnO薄膜電極在不同電流密度下的過電位 3.3 充放電循環(huán)測試數(shù)據(jù)分析 （a） （b） （c） （d） 圖21 兩種正極材料半電池的充放電循環(huán)測試曲線 （a） （b） 圖22 庫侖效率 3.4 高低溫充放電測試數(shù)據(jù)分析 （a） （b） 圖23 LiCoO2/MCMB電池在不同低溫條件下的充電（a）和放電曲線（b） 3.5 分析數(shù)據(jù)與誤差 表2 充放電曲線獲得信息及數(shù)據(jù)分析總結(jié)
表3 鋰離子扣式電池中正負極材料充放電測試中存在的誤差及改進方法
4 總結(jié) 結(jié) 論 本文通過對GO表面進行磺酸基修飾，得到含有—SO3H基團的SGO，將其與SPEEK共混制備了一系列S/SGO質(zhì)子交換膜，并對該系列隔膜進行物理化學(xué)性能表征以及釩電池性能測試。SGO的加入提高了隔膜的離子選擇性，其中S/SGO-1膜的質(zhì)子選擇性[14.14×104 (S·min)/cm3]比SPEEK膜[8.49×104 (S·min)/cm3]提高了66.5%。在50 mA/cm2電流密度下電池性能測試中，S/SGO-1膜的CE值、VE值、EE值分別可達95.5%、92.0%和87.8%，EE值明顯高于Nafion115膜。100次循環(huán)后仍具有較好的穩(wěn)定性，自放電時間可達78 h，是Nafion115的2.6倍，所有結(jié)果均表明S/SGO-1膜在VRB中有較好的應(yīng)用前景。 引用本文 王其鈺，褚 賡，張杰男，王 怡，周 格，聶凱會，鄭杰允，禹習(xí)謙，李 泓. 鋰離子扣式電池的組裝，充放電測量和數(shù)據(jù)分析[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2018, 7(2): 327-344. 聲 明 |
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