用金属锂制成的锂电 锂离子电池是二种充电电池 “它主要依家锂离子在正板和负极之间移动来工作。在充放电 讨程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌 充电池时，L+从正极脱嵌 经过电解质嵌入 极，负极处于富锂状态：放电时则相反。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别 聚合琴论A车发头转肉麦酸件者数钱品范 唐品市练钠资特是移电话和能瓷的内焚量使用委隆平毫聚璃桥。 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 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)： LixMe02+6C -Me02+LixCs 在充放电过程中，L1+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“Rocking-chair batteries”,即摇椅式电池。 在锂离子电池中，由于电池单体电压在3Y以上，而且金属锂非常活泼，与水可发生剧烈反应， 传统的水溶液体系不能适应锂电池，需要使用有机电解液体系。在有机溶剂中溶解含有锂离子的电 解质构成有机电解液体系。本实验使用的是溶解有1mol/L LiPF4的EC+DMC(体积比1：1)有 机电解质溶液。 电池中隔膜的主要作用是离子的导体，并且将电池的正负极隔离以防止电池短路。锂离子电池一般 采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。本实验选用厚度为25μm的Ce1gard2325型隔膜。 实验装置： 1、实验仪器 管式气氛炉，行星式球磨机，真空干燥箱，真空手套箱，Lnd电池充放电测试系统（与计算机连 接)，低温试验箱，真空泵，扣式电池封口机，电子天平，粉末压片机，玛瑙研钵，干燥器等。 2、试剂 高压氩气（瓶）， NH4VO3,LiOH·H20,氢氧化钠，草酸，1mol/L LiPF6 +EC/DMC(体积比I:I)电解液，粘结剂PVDF,导电碳黑(CABOT),N一甲基吡咯烷酮(NMP), Celgard2:325隔膜，金属锂片，电池壳(CR2025),铝集流片，360目砂纸等。 实验步骤： 1、正极材料的制备 (1)按化学计量比1.1：3称取适量的Li0H·20(分析纯)和N
1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman 发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电 池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。 锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电 过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负 极，负极处于富锂状态；放电时则相反。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别 是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量 高，可充且无污染，具备当前电池工业发展的三大特点，因此在发达国家中有较快的增长。电信、 信息市场的发展，特别是移动电话和笔记本电脑的大量使用，给锂离子电池带来了市场机遇。 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 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）： LixMeO2+ 6C →MeO2+LixC6 在充放电过程中，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“Rocking-chair batteries”，即摇椅式电池。 在锂离子电池中，由于电池单体电压在 3V 以上，而且金属锂非常活泼，与水可发生剧烈反应， 传统的水溶液体系不能适应锂电池，需要使用有机电解液体系。在有机溶剂中溶解含有锂离子的电 解质构成有机电解液体系。本实验使用的是溶解有 1mol/L LiPF4的 EC＋DMC（体积比 1：1）有 机电解质溶液。 电池中隔膜的主要作用是离子的导体，并且将电池的正负极隔离以防止电池短路。锂离子电池一般 采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。本实验选用厚度为 25μm 的 Celgard2325 型隔膜。 实验装置： 1、实验仪器 管式气氛炉，行星式球磨机，真空干燥箱，真空手套箱，Land 电池充放电测试系统（与计算机连 接），低温试验箱，真空泵，扣式电池封口机，电子天平，粉末压片机，玛瑙研钵，干燥器等。 2、试剂 高压氩气（瓶）， NH4VO3，LiOH·H2O，氢氧化钠，草酸，1mol/L LiPF6 ＋EC/DMC(体积比 1:1)电解液，粘结剂 PVDF，导电碳黑（CABOT），N－甲基吡咯烷酮（NMP）， Celgard2325 隔膜，金属锂片，电池壳（CR2025），铝集流片，360 目砂纸等。 实验步骤： 1、 正极材料的制备 (1) 按化学计量比 1.1：3 称取适量的 LiOH·H2O（分析纯）和 NH4
V03(分析纯)（共约6g),用玛瑙研钵充分研磨、使样品混合均匀。（分子量：Li0·20 41.964:NH4V03=116.98) (2)将混合均匀的固体粉末分2次在粉未压片机上压制成片（约4-5MP),置于盛样方舟中 (3)用铁丝小钩，将管式气氛炉的一个挡火塞从进口推进约700mm处，将第2步中盛有样品 的方舟推进炉管中心位置，将另一挡火塞推进250mm,塞紧橡胶塞，缓慢通入经过除湿的干燥空气 流。 (4)连接管式气氛炉电源，按“绿色”启动按钮，短按TC一32B温控仪“Ru”键一次，设备 自动按己编好的程序运行，再按一次“Ru”键停止运行。需要经常观察设备运行是否异常。 (⑤)设备运行正常后，参考TCW一32B编程部分编写实际需要程序。本实验要求在60分钟内 升温至400℃，保温30分钟后，30分钟内再升温至570℃，保温480分钟后关机，并继 续通干燥空气。 (注：在使用管式气氛炉过程，人不得离开，并且经常注意观察升温及热源变化，要确保安全！) (6)在干燥气氛下冷却至室温后取出，并用玛瑙研钵研磨，得到正极活性材料(L1.V308)。 (7)将第6步所得材料装入样品袋，并置于干燥器中备用。 (8) 将其中1片用玛瑙研钵研磨后，用X-射线衍射(XD)分析合成材料的结构。 2、正电极片的制备 (1)称取电极样品：按质量比85：10：5称取正极活性材料、导电碳黑和粘结剂PVDF。 (2)球磨混合制浆：将第1步中的正极材料烧结片用玛瑙研钵先研磨，与上述添加剂一起按计 算量 加入球磨罐中，加入适量的N一甲基吡咯烷酮(NWP)使浆液稀稠度适中，采用QM一ISPO4型行 星式球磨机，以250转/min的速度球磨混合60min,制成具有一定粘度适合于涂膜的浆液。 (3)准备集流片：剪取直径为1.5cm的小圆铝片，用360目砂纸粗糙化(~10MPa)后，依次 在0.1mol/1Na0H和0.1ol/1H2C204中超声波清洗10min(注意：清洗时铝片不能重叠在一 起)，取出50~60℃干燥1~2h,并称重待用。 (④预先用专用剪刀剪好隔膜备用（注意：隔膜要比电极片大，不要用手拿：专用剪刀不要用于剪 其它物品) (⑤)涂布：用玻璃棒将浆液均匀地涂覆在处理后的铝片上，膜面尽量平整，纹理尽量一致。 (6) 干燥电极片：将涂布后的电极片在120℃下烘干4h以上。 (7）压片：将干燥后的电极片趁热在压片机上压片成型(~MPa))。 (⑧)称重：称重电极片，并计算所涂实际正极活性物质量。 (⑨)烘干备用：将称重后的电极片烘干。将要送入手套箱中的所有材料准备好放在盘中，如电池 壳、隔膜、电极片、滴管、镊子、卫生纸等，100℃干燥2h。然后准备送入手套箱中组装电池。 3、 电池的组装及测试 (1)将烘干后的正极电极片、电池壳、隔膜等送入手套箱中（具体操作步骤由老师指导进行）。 (②)以步骤2中自制的电极片为正极，相应大小的锂圆片为负极，Celgard2325为隔膜， 1mol/LiP℉6+EC/DMC(体积比为1：1)为电解液。将正极片、隔膜、电解液、负极片依次放入电池 底壳中。 (③)盖上电池壳，擦干电池外壳残余的电解液，涂上真空油脂密封，将电池分别放入各纸袋中
VO3（分析纯）（共约 6g），用玛瑙研钵充分研磨、使样品混合均匀。（分子量：LiOH·H2O＝ 41.964；NH4VO3＝116.98） (2) 将混合均匀的固体粉末分 2 次在粉末压片机上压制成片(约 4-5MPa)，置于盛样方舟中。 (3) 用铁丝小钩，将管式气氛炉的一个挡火塞从进口推进约 700mm 处，将第 2 步中盛有样品 的方舟推进炉管中心位置，将另一挡火塞推进 250mm，塞紧橡胶塞，缓慢通入经过除湿的干燥空气 流。 (4) 连接管式气氛炉电源，按“绿色”启动按钮，短按 TCW－32B 温控仪“Run”键一次，设备 自动按已编好的程序运行，再按一次“Run”键停止运行。需要经常观察设备运行是否异常。 (5) 设备运行正常后，参考 TCW－32B 编程部分编写实际需要程序。本实验要求在 60 分钟内 升温至 400℃，保温 30 分钟后，30 分钟内再升温至 570℃，保温 480 分钟后关机，并继 续通干燥空气。 （注：在使用管式气氛炉过程，人不得离开，并且经常注意观察升温及热源变化，要确保安全！） (6) 在干燥气氛下冷却至室温后取出，并用玛瑙研钵研磨，得到正极活性材料（Li1.1V3O8）。 (7) 将第 6 步所得材料装入样品袋，并置于干燥器中备用。 (8) 将其中 1 片用玛瑙研钵研磨后，用 X-射线衍射（XRD）分析合成材料的结构。 2、 正电极片的制备 (1) 称取电极样品：按质量比 85:10:5 称取正极活性材料、导电碳黑和粘结剂 PVDF。 (2) 球磨混合制浆：将第 1 步中的正极材料烧结片用玛瑙研钵先研磨，与上述添加剂一起按计 算量 加入球磨罐中，加入适量的 N－甲基吡咯烷酮（NMP）使浆液稀稠度适中，采用 QM－ISP04 型行 星式球磨机，以 250 转/min 的速度球磨混合 60min，制成具有一定粘度适合于涂膜的浆液。 (3) 准备集流片：剪取直径为 1.5cm 的小圆铝片，用 360目砂纸粗糙化（～10MPa）后，依次 在0.1mol/lNaOH 和 0.1mol/lH 2C2O4中超声波清洗 10min（注意：清洗时铝片不能重叠在一 起），取出 50～60℃干燥 1～2h，并称重待用。 (4) 预先用专用剪刀剪好隔膜备用（注意：隔膜要比电极片大，不要用手拿；专用剪刀不要用于剪 其它物品） (5) 涂布：用玻璃棒将浆液均匀地涂覆在处理后的铝片上，膜面尽量平整，纹理尽量一致。 (6) 干燥电极片：将涂布后的电极片在 120℃下烘干 4h 以上。 (7) 压片：将干燥后的电极片趁热在压片机上压片成型（(～3MPa)）。 (8) 称重：称重电极片，并计算所涂实际正极活性物质量。 (9) 烘干备用：将称重后的电极片烘干。将要送入手套箱中的所有材料准备好放在盘中，如电池 壳、隔膜、电极片、滴管、镊子、卫生纸等， 100℃干燥 2h。然后准备送入手套箱中组装电池。 3、 电池的组装及测试 (1) 将烘干后的正极电极片、电池壳、隔膜等送入手套箱中（具体操作步骤由老师指导进行）。 (2) 以步骤 2 中自制的电极片为正极，相应大小的锂圆片为负极，Celgard2325 为隔膜， 1mol/LLiPF6+EC/DMC（体积比为 1:1）为电解液。将正极片、隔膜、电解液、负极片依次放入电池 底壳中。 (3) 盖上电池壳，擦干电池外壳残余的电解液，涂上真空油脂密封，将电池分别放入各纸袋中
(4)把电池等材料移出手套箱，用电池封口机将电池加压~3MP密封，擦去真空油脂，并测开路 电压。 (⑤)将密封好的电池连接到蓝电电池测试系统上，在室温下及2.0-4.2V间测试电池性能。预先 编好充放电程序，输入活性物质量。测试条件为：0.2C恒流充电至4.2V,再4.2V恒 压1h,静置10min,转0.2C恒流放电至2.0V,静置10min,循环10次停止（理论容 量按照280mAh/mg计算)。 (6)控制低温试验箱温度为-10℃，将步骤(5)实验的锂电池放入试验箱2h后进行1次 充放电循环。 思考题： 1.锂电池和锂离子电池的区别是什么？ 2.比较常用锂离子电池正极材料的特性。 3.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2.0-4.2V间？ 4滴电解液时电解液只需两滴即可，为什么不宜过多也不宜过少？
(4) 把电池等材料移出手套箱，用电池封口机将电池加压～3MPa 密封，擦去真空油脂，并测开路 电压。 (5) 将密封好的电池连接到蓝电电池测试系统上，在室温下及 2.0-4.2V 间测试电池性能。预先 编好充放电程序，输入活性物质量。测试条件为： 0.2C 恒流充电至 4.2V，再 4.2V 恒 压 1h，静置 10min，转 0.2C 恒流放电至 2.0V，静置 10min，循环 10 次停止（理论容 量按照 280mAh/mg 计算）。 (6) 控制低温试验箱温度为 -10℃，将步骤（5）实验的锂电池放入试验箱 2h 后进行 1 次 充放电循环。 思考题： 1.锂电池和锂离子电池的区别是什么？ 2.比较常用锂离子电池正极材料的特性。 3.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 2.0-4.2V 间？ 4.滴电解液时电解液只需两滴即可，为什么不宜过多也不宜过少？