干燥箱

组装、测试扣式电池是一门艺术,搞懂可不是件简单的事

作者:电池视界 / 关注公众号:shimbliudh  发布:2019-11-03


导语
锂离子电池材料在研发和生产初期阶段,往往需要通过组装扣式电池对电化学性能进行测量。本文总结了以往文献资料,结合小小锂博士实际工作经验,重点介绍实验室锂离子扣式电池组装方法和测试手段,希望各位专家和大牛能够批评指正。
任何一种新的电池材料的开发通常经过实验室研发、小试、中试以及规模放大和商业化应用五个阶段。其中实验室研发阶段是对材料性能测试、验证以及价值判断的必要阶段。因为实验室的测量数据除了具有重要的科研价值外,还有助于在早期开发阶段判断某些材料及电池体系是否具有实际应用价值及商业开发价值。实验室扣式电池除了用于对现有材料的性能进行检测之外,还用于对新材料、新工艺产品进行初步的电化学性能测试与评价,正确的组装扣式电池对该材料的开发与制备、全电池设计与应用有着重要意义。延伸阅读:PPT|实验室制备扣式锂电池装备方案大全
极片的制备
材料的选择、称量
实验室用的正负极材料往往是采购来的,当然也可以通过实验自行制备。正负极活性材料一般为粉末材料,颗粒尺寸应不宜过大以便于均匀涂布,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以及造成的极片不均匀性问题。用于实验室研究的正负极材料一般最大颗粒直径(Dmax)不超过50μm,工业应用的锂电材料的Dmax一般小于30μm。大颗粒、团聚体或者纳米级别的材料,往往经过过筛或者研磨处理。锂电池常用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。常用黏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。油系溶剂常采用NMP(N-甲基吡咯烷酮)等。
实验室制备极片时,混料比例和步骤依据测试材料及混料工艺的不同而有差别。如常见的石墨负极极片中,CMC(羧甲基纤维素钠)的含量一般低于10%,SBR的含量一般低于10%,导电添加剂的含量一般低于10%(高倍率电池除外)。而在硅基负极材料中,考虑到硅基负极材料的导电性较差,因此需增加极片中的黏结剂含量和改变导电添加剂的种类,有些人将CMC的比例调整为20%,SBR 的比例调整为20%,导电添加剂中加入CNT(碳纳米管);对于高功率电池极片研发测试时,往往增加导电剂的含量,比例可调整为20%左右。高比例黏结剂和导电添加剂是为了充分展示正负极活性材料的电化学特性,而实际锂离子电池中电极极片的黏结剂质量比往往在2%左右,导电添加剂比例往往在1%~2%。延伸阅读:关于锂电浆料特性和分散机理的最强总结(全网唯一,必收藏)
锂离子电池材料的称量精度不应该低于称量质量1%的电子天平,以免引入较大的称量误差。活性材料及导电剂的称量可以直接称量粉体,而黏结剂的称量则是先称量粉体后与一定量的溶剂继续配比制备黏结剂溶液(如PVDF溶于NMP中溶解比例为10%,质量分数),再根据实际加入体积算出其中的黏结剂固体含量。延伸阅读:一篇文章看懂电子天平的使用规范和注意事项
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,往往在粗糙面上进行涂布,以增加集流体与材料之间的结合力。箔材的厚度要求不严格,但对箔材的面密度均匀性有比较高的要求。硅基负极材料一般选用涂碳铜箔以提高黏附性,降低接触电阻,以增加测试结果的重现性,提高充放电循环性能。延伸阅读:锂电池为何负极用铜箔,正极用铝箔PPT|铜箔和铝箔的检测方法
极片涂覆制备工艺
实验室极片制备过程一般分为混料和涂覆两个过程。其中混料工艺包括手工研磨法和机械混浆法,涂覆工艺是手工涂覆和机械涂覆。
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0.1~5.0g时建议采用手工研磨法,活性材料的质量超过5.0g时,建议采用混料机进行混料。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。延伸阅读:一篇文章看懂行星式球磨机的操作要求和注意事项
图1 手工混料涂覆流程
图1为手工混料涂覆方法制备极片过程,包括前期材料制备、活性材料和导电剂的称取和研磨、添加黏结剂、浆料研磨、手工涂布极片、极片干燥等过程。机械混浆过程中,则包含材料准备、仪器准备、配置黏结剂浆料、加入导电添加剂、配置浆料、加入电极材料配置浆料,涂布以及极片烘烤等步骤(图2)。值的注意的是需先将黏结剂(如PVDF)加入溶剂NMP中,在50℃以下搅拌至PVDF完全溶解,然后根据浆料配制比例再进行进行配比。在混料过程中要将黏在壁上的材料取下并混入浆中,避免因为比例失真而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。
图2:机械混料、手工涂覆流程
此外,特别需要注意的是,一般极片的面容量设为2~4mA·h/cm2,最低不建议低于1mA·h/cm2,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。
极片干燥条件、辊压工艺、极片压切与称量和极片的烘烤
极片的干燥一般需要考虑三点,烘烤温度、烘烤时间、烘烤环境,对于NMP 油系的烘烤温度需要100℃以上,在能够烘干的前提下,尽量降低烘烤温度,增加烘烤时间。对于一些容易氧化或者在高温空气中不稳定的材料,需要在惰性气氛烘箱中烘烤。还可以通过直接测量极片水分含量来确定干燥条件。极片的辊压过程中需要将极片压实,压实密度尽量接近工业中极片的压实密度。为了测量材料的动力学极限,可以按研究目的调控压实密度。将制备好的极片,用称量纸上下夹好,放到冲压机上冲出小极片(图3),小极片直径可根据冲压机的冲口模具尺寸进行调整,实验室常采用直径为14mm(对应CR2032 扣式电池)冲口模具。对冲好的小极片进行优劣选择,尽量挑选形貌规则、表面及边缘平整的极片,若极片边缘有毛刺或起料,可采用小毛刷进行轻微处理。冲压制备的小极片数量根据测试要求和涂片面积进行调整,一般用于充放电测试的极片数量不低于5片(建议挑选8片以上完整测试极片)。
图3 手工冲压极片流程
将挑选合格后的小极片移到精度较高的天平(精度不低于0.01mg)进行称量,称好的极片放到待装电池的袋子里,并记录对应数据(图4)。除极片的质量称量之外,在采用厚度仪对极片的厚度进行测量时,多个极片的测量数值误差在3%以内则认为该极片厚度均一性良好,并记录厚度平均值。
图4 冲压后的极片称量及标记
将称好的极片放入真空干燥箱,抽真空至0.1MPa,设定干燥温度和时间,可以采用120℃烘烤6 h,这一步骤的目的是进一步去除极片中的水分。启动运行升温后建议标注实验信息(图5),防止其它人误操作。延伸阅读:安全三|仪器操作篇:一文看懂马弗炉、真空干燥箱和真空管式炉的使用规范和要求
图5 极片干燥烘烤流程
双面极片处理方法
在实验室测试分析中,还包括对一些工业生产线上制备极片以及从电芯拆解取出极片的电化学性能进行分析评估。上述极片多为双面涂覆极片,因此在组装扣式电池测试之前需将双面极片处理成单面极片(暴露出集流体)。常用的处理方法包括刮刀法、擦拭法以及背面贴胶法。
刮刀法主要采用手术刀对目标极片一侧进行刮划,可直接在手套箱内操作,但该方法较易损伤集流体,且耗时较长,不建议采用。
擦拭法需要采用水作溶剂对负极片一侧进行擦拭,正极片则可采用NMP(N-甲基吡咯烷酮)作溶剂擦拭。擦拭至背面无明显活性材料(目视观测即可)后,用冲压机进行冲片处理,制备成标准尺寸的单面极片。该方法操作简单,但易出现溶剂渗透或气氛渗透,对极片另一侧表面产生影响。另外,该方法难以制备极片边缘处样品,多用于制备极片中心区域样品。
背面贴胶法是中国科学院物理研究所(以下简称物理所)失效分析团队近期发展的一种双面极片处理方法,即采用边缘折叠和背面贴导电胶,将目标极片的背面包裹于集流体和导电胶内部,形成单面极片。该方法操作简便,可以方便地在双面极片上任意部位取样制作单面极片,整个过程可以在手套箱内完成。
单面处理后的目标极片样品需要进行清洗,目的是去除极片表面的锂盐和残余电解液。常采用的方法是将单面极片浸泡于DMC 等溶剂中6~8 h,或用钝头镊子夹起目标极片样品,并利用移液器或滴管吸取DMC,对目标极片含活性物质一侧进行正面冲洗数次,或者两种方法结合使用。清洗后,将极片置于真空舱内,真空干燥去除溶剂。清洗及真空干燥均在手套箱内进行。干燥后的极片可置于平整的模具中以保持极片平整,方便后期扣式电池组装。
扣式电池组装方法
将准备好的极片转移到惰性气氛手套箱内,准备扣式电池组装部件:负极壳、金属锂片、隔膜、垫片、弹簧片、正极壳、电解液,此外还需要压片模具、移液器和绝缘镊子。
组装过程如下图所示:将负极壳平放于绝缘台面,将金属锂片置于负极壳中心,并用压片模具对金属锂片进行平整化处理,然后将隔膜平放于锂片上层,用移液器取适量电解液滴加入隔膜表面。用绝缘镊子将测试极片、垫片、弹簧片和正极壳依次置于隔膜上层,其中测试极片的活性材料一侧需贴近隔膜(图6)。
图6 扣式电池组装流程
进一步,用绝缘镊子将扣式电池负极侧朝上置于扣式电池封口机模具上,可用纸巾垫于电池上方以吸收溢出的电解液,调整压力(一般为800Pa)压制5s完成组装制备扣式电池,用绝缘镊子取出,观察制备外观是否完整(图7)并用纸巾擦拭干净。
图7 扣式电池封装流程
模拟电池的组装过程与扣式电池相似,以中科院物理所的模拟电池组装为例,需准备组装材料包括:模拟电池模具(一个聚四氟乙烯内胆,一个聚四氟乙烯套管,正负极壳和金属导体柱),金属锂片,隔膜,电解液及待测极片。其中待测极片尺寸不能超过聚四氟乙烯内胆尺寸。如下图,将金属锂片、隔膜、聚四氟乙烯内胆依次放入负极壳模具内,然后用移液器滴加一定量电解液,并将待测极片和金属导体柱依次放入内胆中,保证活性材料一侧贴近隔膜。进一步地,将套有聚四氟乙烯套管的正极壳模具安装在负极壳模具上,完成模拟电池的组装。
图 8 模拟电池组装流程图
实验室扣式电池制备中的注意事项
金属锂片、隔膜、电解液的选择和处理
实验室用金属锂片能够提供远远过量的锂源(1mA·h/cm2相当于5 μm 厚锂箔,实际购买的锂片往往在400~500μm,相当于80~100mA·h/cm2,工业级别的正负极极片单面容量一般在2~4 mA·h/cm2),杂质少且尺寸需大于待测极片,一般可从相关企业或供应商处直接采购惰性气氛保护下的金属锂片,并于惰性气氛保护手套箱内拆解、使用。要求使用锂片纯度不低于99.9%,用于制备扣式半电池时经常采用直径 15~15.8mm(对应极片尺寸为14mm的CR2032扣式电池),厚度0.5~0.8 mm,表面平直、银白色光亮、无油斑、穿孔和撕裂。
隔膜的类型需根据实验要求进行选择,一般为具有纳米孔隙的绝缘膜,吸附电解液后可允许离子双向传输,常采用单层或多层的聚乙烯或聚丙烯隔膜,一般选择采购商业隔膜,并采用冲片机隔膜制备成尺寸规则的圆形,尺寸需大于金属锂片和待测极片以便隔离正负极片,通常与扣式电池壳的内径相同(如CR2032 的使用隔膜直径为15.5~16.5 mm)。实验室中常采用Celgard2400或Celgard2500型号的工业用聚丙烯膜。延伸阅读:一文看懂锂电池隔膜的理化性质和生产工艺
在组装实验室用扣式锂离子电池时,通常选择LiPF6体系电解液[如磷酸铁锂电池的电解液一般为浓度1mol/L的LiPF6溶液,以EC/DEC 为1∶1(体积比)混合液作为溶剂],并且可根据实验要求进行选择,如选择普通配比电解液、含有某种或多种添加剂的电解液等。扣式电池组装时电解液的使用量通常为过量,如在扣式电池2032中电解液的使用量一般为100~150μL,在模拟电池中电解液的使用量一般为200μL。如需进行长循环测试,可对电解液的量进行适当增加。延伸阅读:技术 | 锂电池电解液用量的计算方法
制备极片及电池的优劣选择
制备后的极片表面平整,无明显大颗粒物,且在烘烤、常温冷却、转移过程中无明显掉料现象,可初步判断极片制备合格。进一步可通过对极片的质量、厚度、冲片后边缘的掉料程度进行对比,如果极片的质量、厚度相差很大,极片圆片的边缘掉料有好有坏,说明极片制备的并不合格。应选择其中质量、厚度和边缘掉料均一的极片组装电池进行测试。
制备好的扣式电池和模拟电池外壳模具平整无损坏,表面无腐蚀痕迹、无明显漏液现象。采用万用表或电池测试仪对制备电池进行开路电压测试,正极材料半电池开路电压在3 V 以上,负极材料半电池开路电压在2.5~3.5 V 内,表明组装电池无明显短路情况,若开路电压异常则可视为组装电池不合格。在筛选合格的扣式电池正极壳上用记号笔标注必要电池信息。
注意事项
在以金属锂作为负极的扣式半电池中,全电池中的负极材料此时实际上在扣式电池中也是正极。在扣式电池中需保证隔膜的直径>锂片的直径>极片的直径。在用镊子移动整个扣式电池的时候,需要采用绝缘镊子,防止正负极接触短路。为保证后期电化学测试项目及考虑到误差和操作失误,实验室组装同一种材料的扣式电池或模拟电池数量一般不低于5 个。扣式电池和模拟电池制备过程放置锂片步骤,需将锂片边缘光滑面朝隔膜一侧放置,必要时可以用平整的与锂不反应的硬物压平金属锂片的表面,以防止锂片边缘毛刺穿破隔膜导致电池短路。扣式电池和模拟电池各组件在使用前需进行清洗,其中不锈钢部件可分别用去油污清洁剂、丙酮、乙醇、水依次进行超声清洗,在使用去油污清洁剂清洗时可适当提高清洗温度达到去除部件表面油污的目的。聚四氟乙烯部件则使用除丙酮以外的其它几种试剂进行清洗。清洗后的部件需在烘箱中进行烘干处理。模拟电池组装放置极片时,需注意极片易发生移动翻转。使用镊子调整时容易发生极片破损和电解液侧漏,建议使用钝头绝缘镊子处理。
表1 组装过程引起的误差和改进措施
完成了上期的扣电的组装方法,接下来要做的就是电池性能测试,那么电池的性能测试方法有哪些呢?其中又有什么要注意的呢?
扣式锂电池的充放电测试方法
扣式电池的充放电模式
扣式锂电池的充放电测试常采用恒流充电(CC)、恒流-恒压充电(CC-CV)、恒压充电(CV)、恒流放电(DC)对电池充放电行为进行测试分析等数据,通过分析该过程中数据的变化来表征电池或材料的容量、库仑效率、充放电平台以及电池内部参数变化等电化学性能参数。
而阶跃式充放电模式则多用于直流内阻、极化和扩散阻抗性能的测试。考虑到活性材料的含量以及极片尺寸对测试电流的影响,恒流充电中常以电流密度形式出现,如mA/g(单位活性物质质量的电流)、mA/cm2(单位极片面积的电流)。
充放电电流的大小常采用充放电倍率来表示,即:充放电倍率(C)=充放电电流(mA)/额定容量(mA·h),如额定容量为1000mA·h的电池以500mA的电流充放电,则充放电倍率为0.5 C。目前电动汽车用锂离子电池已发布使用的行业标准QCT/743—2006中指出锂离子通用的充放电电流为C/3,因此含C/3 的充放电行为测试也常出现在实验室锂离子电池充放电测试中。
倍率性能测试
有三种形式,包括采用相同倍率恒流恒压充电,并以不同倍率恒流放电测试,表征和评估锂离子电池在不同放电倍率时的性能;或者采用相同的倍率进行恒流放电,并以不同倍率恒流充电测试,表征电池在不同倍率下的充电性能;以及充放电采用相同倍率进行充放电测试。常采用的充放电倍率有0.02C、0.05C、0.1C、C/3、0.5C、1C、2C、3C、5C 和10C 等。
对电池的循环性能进行测试时,主要需确定电池的充放电模式,周期性循环至电池容量下降到某一规定值时(通常为额定容量的80%),电池所经历的充放电次数,或者对比循环相同周次后电池剩余容量,以此表征测试电池循环性能。此外,电池的测试环境对其充放电性能有一定的影响。
实验仪器介绍
现阶段国内外相关单位使用的电池测试系统包括Arbin公司的电池测试系统、新威公司的电池测试系统、蓝电公司的系列电池测试系统以及MACCOR公司的电池测试系统等,见表1。此外拜特电池测试系统和Bitrode电池测试系统则多用于大容量电池、电池组等装置的测试分析。一些电化学工作站也具有扣式锂电池电化学性能测试功能,但由于通道设计、功能设计等原因,多用于电池的循环伏安法测试分析、阻抗测试及短时间的充放电测试,电化学工作站仪器厂家包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner(IM6)、上海辰华等。
参数
BT2000
BTS4000
LAND
Series 4000
电流精度
(±0.02%~±0.05%)FS
0.05%FS
0.1%RD
+0.1%FS
0.02%FS
电压精度
(±0.02%~±0.05%)FS
0.05%FS
0.1%RD
+0.1%FS
0.02%FS
测试参数
电流、电压、容量、能量、库仑效率、交流阻抗
电流、电压、容量、能量、库仑效率
电流、电压、容量、能量、库仑效率
电流、电压、容量、能量、库仑效率、交流阻抗、电压微分、温度
系统功能
恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试、阻抗测试
恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试
恒流充放电、恒压充电、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试
恒流充放电、恒压充电、恒电阻放电、脉冲充放电、循环性能测试、阻抗测试、循环伏安测试
表 1 几种电池测试系统主要性能对比
在实验室锂电池的测试过程中,还经常要用到防爆箱和恒温箱(图1)。实验室用电池防爆箱多用于大容量电池的测试,在研究扣式电池一些特殊性能测试的时候也会用到,如高倍率、高温性能测试等。实验室用恒温箱温控多为25 ℃,且实际温度与设定温度间的温差精度不超过1 ℃。在电池的高低温性能测试中,最低温度可达到70℃,最高温度可达150℃。考虑到宽温度范围的恒温箱价格较贵,且应用较为集中,因此建议多台恒温箱设定不同温度集中测试使用,即同一种验证材料组装多支扣式电池分别测试常温及高低温性能,实验室测试常用温度为25 ℃、55 ℃和80℃(图2)。在选择恒温箱时,尽量采用专门用于电池测试的恒温箱,此类恒温箱含有专业的绝缘绝热口用于连接电池测试导线。电池在连接测试夹具时,需使用绝缘镊子,且测试电池需整齐置于防爆箱或恒温箱内,设定测试温度,待温度达到设定温度后开启电池测试程序,测试过程中建议贴标签注释测试信息(图 3)。
图 1 实验室用电池防爆箱和恒温箱
图 2 不同设定温度的实验室用恒温箱
图3 恒温箱中扣式电池安装图
充放电测试常规实验流程
将测试电池安装在测试仪器上,置于(25±1)℃测试环境中。设置以下程序:静置10min;以1.0C电流恒流充电至4.2 V,然后恒压充电至电流下降至0.05C,充电停止;静置5 min;然后以1.0C 电流恒流放电至3.0V;重复上述充放电步骤5~10次。
上述测试参数为常规全电池测试参数,一般正极材料/金属锂扣式电池的电压范围为3.0~4.3V,负极材料/金属锂扣式电池的电压范围为0.005~1.0V,特殊高电压正极材料(如高电压钴酸锂、尖晶石镍锰酸锂、富锂锰基层状氧化物等材料)或其它正极材料(如磷酸铁锂材料)可依据电极材料特性和电解液、固态电解质耐受氧化电压进行电压范围调整,其它参数不变。负极材料/金属锂扣式电池以及无锂正极材料(如MnO2等)/金属锂扣式电池在测试时首先放电至最低电压窗口,然后进行充电。需要注意的是,目前在许多文章中的负极材料测试范围为0.005~3.0V,而在全电池测试过程中,一般能够采用的电压范围对应于负极半电池测试实际上不超过1.0V,例如对于石墨或者硅基负极材料,可用的电压范围为0.005~0.8V,对于钛酸锂这种负极材料,可用的电压范围为1.2~1.9V。因此对于某些文章中在宽电压范围内获得的高容量和高首次库仑效率,其在全电池中并不能发挥出来,实际意义并不大。针对软碳或硬碳负极材料,或者目前正在开发的复合金属锂负极材料,放电截止电压可以更低,如0mV甚至50mV,具体情况需要具体分析。建议多数负极材料的半电池测试控制电压范围在0.005~1.0V,超过这个电压范围,在结果的陈述及应用前景的描述上需要特别声明,以免夸大结果。
测试电池材料实际容量的时候,尽量使用小倍率进行充放电,以减小极化产生的容量误差,得到电池的真实容量,一般选择0.1C 的倍率进行测试。
操作人员在测试仪器上装卸扣式电池时需佩戴绝缘手套及口罩和防护眼镜;由于测试通道较多,需对测试电池、测试通道进行特殊标记,并在相关仪器前贴醒目标签注释以防他人误操作。
充放电循环测试常规实验流程
在对电池的循环性进行测试时,可在上述充放电测试(2节内容)的基础上,增加循环次数,对比相同循环次数后的容量保持率。或重复充放电循环,当放电容量连续两次低于初始放电容量的80%时,确定此时的循环周数。
高低温测试常规实验流程
锂离子电池高低温性能测试中,高温性能测试一般设置为45 ℃、55℃、80℃或更高温度,低温性能测试一般设置为0℃、-10℃、-20℃、-30℃或-40℃,测试流程同2、3、4 节内容。测试数据需要与室温的数据进行对比,因此在高低温测试之前需进行常温的充放电测试(即2节测试内容)。而在进行放电效率测试的时候,建议采用室温(25±1)℃下进行恒流-恒压(CC-CV)模式充电至100% SOC,在不同温度下静置30min后进行恒流放电(DC)。
基本数据分析
电压分析
组装的锂离子电池的开路电压是指外电路没有电流通过时的正负极电位差,可通过万用表(精确度不低于0.1 mV,建议采用高内阻抗的专用电压表防止自放电)直接测量,或连接至电池测试系统后直接读取数值。该值仅为组装电池后的初始开路电压,全SOC下的开路电压需通过恒电流间歇滴定(GITT)方法测得,将在后续文章中介绍。工作电压则是指外电路有电流通过时正负极即时电位差,可直接体现在电池测试系统数据中。工作电压U=E0±IRi,式中,E0为热力学平衡电压,Ri为扣式电池内部或接触存在的某一种电阻,如某一结构组元的欧姆电阻、电荷转移阻抗、扩散阻抗,I为测试电流。工作电压与电流大小有关。
放电平均电压分析则需要对曲线进行公式处理,即,式中,Qmax为曲线中的放电容量,E为放电曲线纵坐标电压。
容量分析
电池容量是锂离子电池性能的重要性能指标之一,它表示在一定条件下锂离子电池储存的电量,通常以A·h(安时)或mA·h(毫安时)为单位(1 A·h=1000 mA·h),锂离子电池容量参数的获取主要采用的方法是在电池由100% SOC 放电至0% SOC时(即在测试电压范围内),电流对时间积分,即,式中,Q为电池容量(A·h),I为电流(A),t为测试时间(h)。1毫安时相当于3.6库仑。一般情况下,容量数据可在测试系统软件中直接读取。
对于测试的电池材料来说,容量分析一般需要确定3 个数据:首次充电容量、首次放电容量(正极材料)和可逆容量。
a.首次充电容量即为锂离子电池首次充电结束时的充电容量;
b.首次放电容量即为锂离子电池首次放电结束时的放电容量;
c.可逆容量则为电池循环稳定后的容量值(常温下测试值又称额定容量),一般选取第3~5周的放电容量,有时可能需要选取10周以后的放电容量。
在实际应用中,对测试材料或极片的克容量、面容量及体积容量的分析更具有参考价值。如克容量即单位活性物质质量的放电容量,C=Q/m;面容量即单位测试极片面积的放电容量,C=Q/S;体积容量即单位极片体积的放电容量,C=Q/V。式中,C为放电比容量mA·h/g(毫安时每克)、mA·h/cm2(毫安时每平方厘米)或mA·h/cm3(毫安时每立方厘米),Q为放电容量mA·h(毫安时),m为活性材料的质量g(克),S为测试极片面积cm2(平方厘米),V为测试极片的体积cm3(立方厘米)。克容量参数用于对比测试材料的性能更加直观,而面容量和体积容量对于测试材料的实际应用,正负极容量匹配时则更具有参考价值。建议发表文章时同时提供3种比容量的信息。
扣式电池数据也可以评价正极活性材料的能量密度(W),指的是单位质量的正极活性材料所能够存储和释放的能量,W=EQ/m,即放电平均电压与克容量的乘积,常用单位为W·h/kg(常称为比能量),也包括体积能量密度W·h/L。一般电芯中正极活性物质占的质量比为30%~50%,具体比例取决于正极材料的压实密度和真实密度。因此,根据正极活性质的能量密度,也可以粗略估算相应的全电池的能量密度,这对于没有条件研制全电池,但又希望评价正极材料和预测电芯能量密度具有参考意义。
充放电曲线分析
充放电曲线体现的是电池材料的充放电行为,对扣式电池充放电曲线进行分析对理解材料的性能及电化学行为有着重要意义,尤其对半电池充放电曲线的分析,能够针对性地分析某一种材料的特性行为。充放电曲线有几种不同的展现形式,如较为常见的“交叉式”曲线(图1)以及“循环式”曲线(图2)。
图1 几种不同材料组装半电池的“交叉式”充放电曲线
图2 几种不同材料组装半电池的“循环式”充放电曲线
从扣式电池充放电曲线中可读取大量数据信息,下面对部分数据的读取和分析做简单介绍。
图3 石墨/金属锂片扣式半电池的充放电曲线
正负极材料内锂离子的脱嵌对应了充放电曲线上的平台或斜坡区域(以及循环伏安曲线和微分差容曲线中的氧化还原峰),根据每个平台区域的变化可分析研究材料的电化学反应行为。通常充电和放电的电位平台或斜坡的数量相同,若充电和放电的总容量相同,但对应的每个平台/斜坡的容量有差异,则说明材料嵌脱锂的热力学反应路径或嵌脱锂动力学特性有显著差异。图3为典型的石墨负极材料的充放电曲线。充放电曲线显示,石墨/金属锂片半电池充放电时,石墨电极充放电过程中分别存在0.08/0.1 V,0.11/0.14 V以及0.2/0.22 V处3个对应明显的充放电平台,分别对应了3个锂石墨层间化合物的两相转变过程。平台的起始点,对应相变的开始,平台的终止点,对应相变的结束点,平台行为意味着主体材料的电化学势与离子在材料中的占有率无关。充放电曲线中的斜坡一般对应于固溶体反应或者电容行为,斜坡行为意味着主体材料的电化学势与离子在材料中的占有率直接关联。因此,通过充放电曲线可以初步判断材料在反应过程中有几次相变反应,是两相转变反应还是固溶体、吸脱附电容行为,这可以辅助指导X射线衍射等结构研究。在同一个SOC下,小电流充放电时,充电电位平台与放电电位平台电压的中间值近似为热力学平衡电位,用循环伏安曲线或微分差容曲线对应的氧化峰与还原峰的中间电位值更容易准确估算。全SOC下准确的热力学平衡电位的测量建议采用低电流密度下的GITT方法。
在全电池放电行为中,电池的放电电压为正极材料的嵌锂电压减去负极材料的脱锂电压,因此负极的平均脱锂平台越高,则全电池的放电电压越低。当负极材料的脱锂平台超过2.0 V 时,全电池电压已经很低了,此时测到的容量对全电池匹配和实际应用的意义不大,因为每种电器应用都有允许的下限电压范围,如一般用于消费电子电器的锂离子电池的放电电压截止到2.7 V。
能量效率即同一循环周次的放电能量与充电能量的比值,可以表示为η=(EDQD)(/ ECQC)×100%。在充放电曲线中,可近似于充放电曲线的积分面积差,该值的变化在“循环式”充放电曲线中更容易读取。典型的锂离子电池的能量效率在92%~95%,锂硫电池和锂空气电池的能量效率则分别在80%和70%左右。
对前5 周充放电循环数据进行分析,可获得首周放电容量、首周充电容量、首周库仑效率、可逆容量、极化电压和电阻大小、能量效率等信息。
首周充放电数据最为重要。首周放电容量可在曲线中直接读取,用于分析首周循环后极片实际释放容量。电池的首周充放电平台奠定了后续循环的基础,多数材料的结构是否稳定也是由第1周产生的,平台长短也影响着锂离子的嵌入脱出效率。第2周及后面的充放电容量也基本都是在首周放电容量的基础上涨落。库仑效率(即充放电效率)是指同一循环过程中电池放电容量与充电容量之比,即η=QD/QC×100%,首周库仑效率(即首效)则是电池在第1 周的放电容量与充电容量的比值(正极材料η=QD1/QC1×100%)。多款电池测试系统均可直接输出该值,用于分析首周循环过程中活化及其它反应消耗的极片容量的情况,并且可直接表征材料结构的稳定性和动力学性能的优劣。
首次放电容量及首周库仑效率可直接影响全电池的设计与材料的评价。前5周的库仑效率一般会呈现先增后降或小幅波动的趋势,这是由于在前几周的循环过程中存在SEI膜生长、材料活化等反应引起活性锂源的不可逆损失。以新鲜负极材料的半电池为例,其首次放电容量则高于首次充电容量,即负极首次嵌锂量要多于负极首次脱锂量。如果测试结果相反,则可能是由于非新鲜极片或电池短路等因素导致。
最高容量,即测试电池充放电过程中表现出来的容量最高数值,一般出现在前五周的充放电过程中。有些负极材料的测试结果显示可逆容量随着循环次数增加而持续增长,这与材料的持续氧化、缓慢活化、SEI膜持续增长、其它材料逐渐参与氧化反应有关。这类负极材料对于锂离子全电池的设计和应用来说是缺点而不是优点。一般而言,电池测量的可逆容量会在前5周趋于相对稳定,库仑效率不能很快达到99.95%意味着界面或材料结构一直不稳定,这样的材料用于全电池测试,相对于半电池,循环性会差很多。
极化情况分析
图4 富锂正极材料(Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2)的充放电曲线
在锂电池的充放电过程中,极化是不可避免的,尤其在高倍率充放电过程中。研究由极化引起的容量变化以及根据充放电曲线分析极化情况十分必要,相对于通过GITT、恒电压间歇滴定(PITT)或电化学交流阻抗谱(EIS)分析电极过程动力学,通过充放电曲线获取的动力学信息更加直观。通常较低充放电倍率(如0.05C、0.02C、0.01C或更低倍率,取决于材料)下测得的容量可基本忽视极化引起的容量变化。某倍率下测试得到的容量值与上述低倍率下测试的容量值差则可视为极化引起的容量变化。在恒流-恒压(CC-CV)充电恒流放电曲线中,可通过充电曲线中恒流充电容量与恒压充电容量所占总容量的比值来表征极化情况。恒流充电容量与总充电容量比值越低或恒压充电容量与总充电容量比值越高,则极化越大。此外,充放电曲线中充放电平台电压差值增加也可反映出电极极化的增加,该差值在“循环式”充放电曲线中更易读取。可通过在该曲线的充放电曲线的纵轴差距进行初步认识,如图4中,富锂正极材料(Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2)的充放电曲线,对比第1 周循环曲线,第2周循环曲线的纵轴差距较小,表明极化下降。此外,该值也可由微分差容曲线中嵌脱锂峰位的电位差进行表征,电位差变大,极化则增加。
微分曲线分析
在对电池充放电曲线进行分析的过程中,为了方便充放电曲线的研究,将该曲线进行微分处理,将平台区域转换为峰曲线。通常使用的方法是微分差容曲线(incremental capacity,dQ/dV vs.V)和微分电压曲线(differential voltage,dV/dQ vs.Q)对充放电曲线进行分析。
图5几种正极材料半电池的微分差容曲线
其中微分差容曲线,简称IC曲线(图5),应用较为广泛,但由于存在电压平台(即dV=0),数据处理需谨慎。曲线中的氧化峰和还原峰对应了充放电曲线中的充电平台和放电平台,并且与循环伏安曲线中的氧化峰和还原峰有着对应关系。根据该曲线中峰位,参考文献可对氧化还原反应进行确认和判断。将同循环周次充放电曲线都进行微分处理并进行峰位比对展现,对应氧化还原峰电位的中间值则为热力学平衡电位。此外,峰位的移动和衰减也具有一定的对比价值。如峰位的移动则表明该电位附近的充放电平台电位出现移动,与材料的结构变化引起锂的嵌入脱出难易有关;某峰位的强度变化可表征该电位的充放电平台长短变化。
图6 硅碳混合材料/金属锂片半电池放电过程的微分电压曲线
微分电压曲线,简称dV曲线,可根据文献或实验对比曲线峰位归属,并根据峰位的横坐标来初步判断不同材料或平台的容量发挥情况,该曲线的数据处理较为方便,且多用于混合材料极片的分析中。图6所示为硅碳混合材料/金属锂片半电池放电过程的dV 曲线,通过对比分析可以得出,在第三周循环放电容量中,硅材料发挥容量为293 mA·h,石墨发挥容量为697.6 mA·h,并且硅和石墨发挥容量随循环均有所降低。需要说明的是,微分电容和微分电压曲线的数据是否光滑、与充放电仪的电压测量精度、电流控制精度、测试时的温度稳定性、采样点的密度都有影响.
来源:锂电前沿
好消息!!!
我们这有一个专业的电池行业交流群,如果你想加入,
请按照以下步骤操作:
第一步:添加下图的微信,暗号是公司+姓名!
第二步:坐等群主拉你进群
获取更多电池技术、学术内容,欢迎加入电池视界QQ交流群,
群聊号码:296218801


本文作者 :电池视界

关注Ta的微信公众号获取更多图文精彩内容...