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1、实验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)：LixMe2+ GCTg+Lixq在充放电
2、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“Rock in g-chair batteries”，即摇椅式电池。锂离子充放电的原理与结构示意图:图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Mn4+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Li Mn O +yLi+ye-、放电 Li Mn OX 24充电x+y 24(2)负极 放电时，负极石墨层间的锂离子脱嵌进入电解液
3、，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：LiC+放电、Li C+yLi+ye-z 、充电z-y对于磷酸钛锂的充放电反应是在LiTi2(PO4)3和Li3Ti2(PO4)3两相间进行的，充电时Li+嵌入LiTi2(PO4)3中转化为结构相似的Li3Ti2(PO4)3，放电时Li+从Li3Ti2(PO4)3中脱出形成LiTi2(PO4)3：充电反应：LiTi (PO ) +2Li+2e-充电 Li Ti (PO )24 3324 3放电反应：Li Ti (PO ) 放电 LiTi (PO ) +2Li+2e-324 324 3锂离子插入和脱出磷
4、酸钛锂结构的过程中，电压维持在。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 LiPF4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
5、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。Liquid electrolyteAl MeshCell canPlastic electrolyte- Plastic electrode (Anode)istic electrode (Cathode)盘人Cu mesh图锂离子电池示意图：a）柱状电池，b）纽扣电池，c）方形电池，d）薄层电池。（Tarascon . & Armand M. Nature 2001, 414, 359）三.
6、 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
7、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
8、（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 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V放电：设定电流如50 mA/g，放电结束电压为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
