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DIY:手把手教你制备锂离子电池浆料组装扣式电池

作者:千赢国际  来源:千赢国际  时间:2019-10-04 18:42  点击:


  本文主要对实验室组装扣式电池的流程进行介绍,主要参考北工业王琦师兄的《锂离子模拟电池组装手册》、郑州轻工学院张勇等人的《扣式锂离子电池的制备工艺研究》以及一些网友意见和一些清华研友的工作经验。

  首先说明一下,实验室所说的扣式电池一般都是指半电池,即以锂片为“负极”,我们自己做的极片为“正极”。所以,无论是正极还是负极材料,组装扣式电池的流程都是一样的

  锂离子扣式电池主要由以下几部分组成:正极壳、负极壳、(正/负)极片、隔膜、垫片、弹片、电解液。

  常用的扣式电池的电池壳为CR2032、CR2025、CR2016等,C代表扣电体系,R代表电池外形为圆形。前两位数字为直径(单位 mm),后两位数字为厚度(单位 0.1 mm),取两者的接近数字。例如 CR2032 的大略尺寸为直径 20 mm,厚度 3.2 mm。

  负极片直径略小于负极壳直径,CR2032的锂片直径为15.8mm,对应的正极片也是15.8mm。值得注意的是:锂片比较柔软,容易变形,所以在装电池前可以用正极壳(因为它比较大)将变形的锂片压平整。而且金属锂在空气中极易氧化变质,遇水容易爆炸,所以购买回来的金属锂片需要在手套箱中打开,打开时注意,不要损坏手套。

  实验室一般采用正极材料:导电剂:粘结剂的质量比为80:10:10。当然,这个比例可以自由调节,但调整过程需要大量的试错。但一般来说,正极材料不低于75,导电剂和粘结剂不低于5。有时候为了达到高倍率性能,有报道中导电剂比例有达到40的情况。

  首先,配制NMP和PVDF的溶液,这样在每次配制浆料时能节省很多时间,可以配制0.02g/ml、0.025g/ml和0.03g/ml的三种,选择合适自己材料的浓度使用。配制方法很简单,只需要将两种物质在广口瓶中混合就行,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。

  涂布后,干燥出的复合材料涂层比较疏松。若直接使用,被电解液浸润后容易脱落损坏。可采用对辊机或者压片机等进行压片处理,对辊机一般可将正极片涂层压制到15-60μm。压片机可以采用大约80-120kg/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,测试表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,使表面光滑、平整,防止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,不利于电池装配,压力过小又起不到压片的作用。

  注意:电池组装部件在放入手套箱中之前,要进行4小时左右的真空干燥处理,温度不宜太高,可以设置在60-80℃温度。容量较大的手套箱可事先这些存储电池部件,更清洁。原料入进箱舱门后,严格按照操作规程进行排气-进气操作,至少三次。建议在手套箱内专门放一个小型操作台,以防试剂腐蚀手套箱。电解液对于手套和手套箱内壁的腐蚀比较严重,应该尽量避免操作失误。

  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。这一步骤应该反复练习,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,保持平整的放在正极壳中

  用极细的玻璃滴管酌量吸取电解液,此过程以完整均匀的润湿电极片表面为目标。注意在润湿的过程中,滴管/针头和电极片一定不能碰触

  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,应该将隔膜先对准电池壳边缘,缓缓退出镊子,均匀覆盖下

  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,使之更加平整,均匀,边缘与电池壳接触更为严密。尽量避免隔膜的褶皱

  锂片半径为15.8mm,应当恰好放于电池壳中间,这是最难的一步,必须一次成功。因为锂片和电解液、隔膜会产生粘附,如果放不准,调整非常困难。也就意味着此次模拟电池组装的失败(其实也不一定,多滴加一点电解液,就可以进行微调)

  所有步骤都尽量用镊子操作。如不慎放偏,这一步也可以进行微调。此前的步骤中,如果部件的放置位置出现偏差,都可以用双手各拿一把镊子,配合进行轻微的调整,镊子不方便使用时,可使用药匙

  电池的组装是一个熟能生巧的过程,前一两次装坏几个电池是一件很正常的事,不要灰心。技术性的工作需要的是多练习和观察改进。对于实验室来说,更重要的是传承,像此类简单工作,每年新来的师弟师妹都得重新摸索,是一件非常浪费时间的事,这也是师兄师姐的失职。一个没有传承的实验室,很难有深厚的积累。所以,希望各位硕博特别是即将毕业的同学们能够整理自己的实验笔记,将几年的学术积累留下来,欢迎加入材料人学术干货组(材料人科研干货小组群 563614587),我们专注实验技巧的收集与传承。

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