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扣式电池极片制备和电池组装

2023-05-31

扣式电池制备

一、制浆

恒温电加热真空搅拌器

小型双轴行星真空搅拌机

5升真空行星搅拌机

200升真空行星搅拌机

提供各式容量的搅拌机，用于锂离子电池实验以及生产

制浆历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、负极质料（活性物质）可以采购，也可以自行制备，一般为粉末质料，颗粒尺寸不宜过大，便于均匀涂布，同时制止由于颗粒较大导致测试结果受到质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（Dmax）不凌驾50 μm，工业应用一般Dmax不凌驾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 等导电质料。

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，可以凭据质料适当调解，但一般来说，正极质料不低于75，导电剂和粘结剂不低于5）

溶剂：常接纳 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，选择合适自己质料的浓度使用。配制要领很简单，只需要将两种物质在广口瓶中混淆就行，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。

二、极片涂布

挤压涂膜器

实验室涂布机

实验室挤压涂布机

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可定制涂布机

集流体的选择锂离子电池极片的正、负极集流体划分为铝箔和铜箔，如果选用单面平滑的箔材，建议在粗糙的一面上涂布，以增加集流体与质料之间的结协力。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。如果是硅基负极质料，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，正极质料涂布在铝箔上，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。涂布历程比较简单，可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，一来去掉可能保存的棉絮二来不要划伤铝箔。

别的，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/cm2，这样的活性物质负载量与工业应用的更为接近，便于准确对标评价质料的倍率和低温特性。个体情况下，可以凌驾这一负载量，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；别的，由于极片薄，动力学性能较好，体积变革较小，电解液相对远远过量，这样有利于测到质料的最高容量，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事情条件下的性能，此时的动力学及循环性数据结果并不可和大容量实际电池有较好的对应关系。虽然，即便和实际体系的要求有差别，但如果所有质料凭据同一极片的制作条件来比照，关于比较质料的性能差别也有一定意义。但差别极片制作条件下的动力学、循环性能数据比照，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包管。

三、极片干燥

极片的干燥一般需要考虑 3点，烘烤温度、烘烤时间、烘烤情况，关于NMP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。关于一些容易氧化或者在高温空气中不稳定的质料，需要在惰性气氛烘箱中烘烤。还可以通过直接丈量极片水分含量来确定干燥条件。

极片干燥的目的在于去除浆料中大宗的溶剂NMP以及其中的水分，所以要经过鼓风干燥和真空干燥两个办法。每个办法的具体温度和时间，差别事情中有差别的报道，但需要注意：

（1）干燥NMP的温度不需要太高，但由于溶剂太多，需要较多的热量，所以干燥时间较长。

（2）由于水的沸点是100℃，所以鼓风干燥的温度需要较高，但由于水分含量较少，干燥时间可以缩短，在鼓风干燥时，可以设置两个温度段，每个温度时间差别，最高温度可以设置为100℃。另外负极的干燥温度应低于正极，有时候泛起铜箔氧化的现象。（注意：干燥温度过高和时间过长，会泛起严重的掉粉行为，关于鼓风干燥的温度，正极不应凌驾120℃，负极不凌驾90℃。）

（3）鼓风干燥后，要经过真空干燥，温度一般设定为120℃，时间10小时左右。但不可以不经过鼓风干燥直接进行真空干燥，这样操作会导致NMP充满于真空干燥箱内，而使干燥效果欠好。不经过真空干燥也是可以的，可是有条件的最好不要省略这个办法。

四、极片辊压

涂布后，干燥出的复合质料涂层比较疏松。若直接使用，被电解液浸润后容易脱落损坏�？山幽啥怨趸蛘哐蛊冉醒蛊�，对辊机一般可将正极片涂层压制到15~60 μm。压片机可以接纳约莫80~120 kg/cm2压强进行压制。压片后的电极，稳定性、牢固性以及电化学性能都获得了改善，测试体现要好于不压片的样本。

压片主要目的有两个：一是为了消除毛刺，使外貌平滑、平整，避免装电池时毛刺刺破隔膜引起短路；二是增强极片的强度，减小欧姆阻抗。压力过大会引起极片的卷曲，倒运于电池装配，压力过小又起不到压片的作用。

极片的辊压历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。为了丈量质料的动力学极限，可以按研究目的调控压实密度。

五、裁片（冲片）

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，小极片直径可凭据冲压机的冲口模具尺寸进行调解，实验室常接纳直径为 14 mm（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、表面及边沿平整的极片，若极片边沿有毛刺或起料，可接纳小毛刷进行轻微处理。冲压制备的小极片数量凭据测试要求和涂片面积进行调解，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）。

六、扣式电池组装（|负极壳|弹片|垫片丨锂片丨电解液|隔膜|电解液|正极片|垫片丨正极壳|）

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（泡沫镍）、正极壳、电解液，别的还需要压片模具、移液器和绝缘镊子。

	办法描述	办法说明
1	正极壳开口面向上，平放于玻璃板上	无需说明
2	用镊子将垫片和正极片依次置入正极壳，正极片位于正中	用镊子将垫片置入正极壳，有毛刺的一面朝下，然后小心夹取正极片，将涂布层向上，放于正极壳的正中间。这一办法应该重复练习，确保镊子夹取的力度合适，不会损伤正极片，严防弯折或者扭曲正极片，坚持平整的放在正极壳中
3	接纳胶头滴管或注射器吸取电解液，浸润正极片外貌	用极细的玻璃滴管酌量吸取电解液，此历程以完整均匀的润湿电极片外貌为目标。注意在润湿的历程中，滴管/针头和电极片一定不可碰触
4	夹取隔膜，笼罩正极片	用镊子夹取隔膜，由于裁剪的隔膜和电池壳内部直径一致，恰好可以装进电池正极壳中。这一步尤其要小心，不要使隔膜提前接触到电解液，应该将隔膜先瞄准电池壳边沿，缓晃滤出镊子，均匀笼罩下
5	再次使用胶头滴管/注射器吸取电解液，润湿隔膜外貌。	由于隔膜是惰性且洁净的物质，这时可以使用滴管前端轻轻碰触隔膜，使之越发平整，均匀，边沿与电池壳接触更为严密。尽量制止隔膜的褶皱
6	夹取锂片安排于隔膜正中	锂片半径为15.8 mm，应当恰好放于电池壳中间，这是最难的一步，必须一次乐成。因为锂片和电解液、隔膜会爆发粘附，如果放禁绝，调解很是困难。也就意味着此次模拟电池组装的失败（其实也纷歧定，多滴加一点电解液，就可以进行微调）
7	夹取垫片置于锂片上，严格对齐	这一步的垫片如果略微放偏，可以进行小心的调解
8	夹取弹片置于垫片上，严格对齐	所有办法都尽量用镊子操作。如失慎放偏，这一步也可以进行微调。此前的办法中，如果部件的安排位置泛起偏差，都可以用双手各拿一把镊子，配合进行轻微的调解，镊子不便当使用时，可使用药匙
9	镊子夹取负极壳笼罩	无需说明

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，调解压力（一般为 800 Pa）压制5 s完成组装制备扣式电池，用绝缘镊子取出，视察制备外观是否完整并用纸巾擦拭洁净。

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