锂离子电池性能测试

华南师范大学实验报告学生姓名:蓝中舜学号：20120010027专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源课程名称：化学电源实验实验项目：锂离子电池性能测试实验类型：验证设计综合实验时间：2014年5月5日-17日实验指导老师：马国正组员：黄日权郭金海一、实验目的1.熟悉、掌握锂离子电池的结构及充放电原理。2.熟悉、掌握锂离子正极材料的制备过程及工艺。3.熟悉、掌握锂离子电池的封装工艺及模拟电池测试方法。二、实验原理锂离子电池是指正负极为Li+嵌入化合物的二次电池。正极通常采用锂过渡金属氧化物LixCoO2，LixNiO2或LixMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6。电解质为溶有锂盐LiPF6，LiAsF6，LiClO4等的有机溶液。溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和氯碳酸酯（CIMC）等。在充放电过程中，Li+在两极间往返嵌入和脱出，被形象的称之为“摇椅电池”。锂离子电池充放电原理和结构示意图如下。锂离子电池的化学表达式为：-）Cn|LiPF6-EC+DMC|LiMxOy（+其电池反应为：LiMxOy+nCLi1-xMxOy+LixCn本实验以高温固相法制备的尖晶石型LiMn2O4为正极材料，纯锂片为负极，制备扣式锂离子模拟电池，并对制备的扣式半电池进行充放电测试。三、仪器与试剂电化学工作站，蓝点测试系统、手套箱、电子天平、真空干燥箱、切片机、对辊机、鼓风干燥机LiMn2O4、乙炔黑、PVDF、无水乙醇、电解液（1MLiPF6溶与体积比EC:DEC:EMC=1:1:1的溶液）、锂片、去离子水、碳甲基吡咯烷酮。四、实验步骤1.正极片的制备正极活性物质、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯（PVDF）按80：10：10的质量比混合均匀后，加入一定量溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），在球磨机中充分研磨30min，然后通过自动涂覆机在集流体铝箔上涂上一定厚度的薄膜，置于80℃鼓风干燥箱中烘30min，再放入120℃真空干燥箱烘干12小时。将烘干的极片经过对辊机滚压，使活性物质与集流体紧密结合。将压好的电极裁成Φ12mm的圆片后，再次进行真空干燥，储存备用。2.负极片制备、电解液、隔膜负极极片采用厚度为1.5mm直径为15mm的锂金属薄片；电解液为1MLiPF6溶于EC:DEC:EMC=1:1:1(体积比)的溶液；隔膜为聚丙烯，将隔膜纸通过切片机裁剪成为Φ18mm的圆片。3.扣式模拟电池的组装实验模拟电池组装过程是在充满氩气的手套箱中进行，手套箱中氧含量、水含量均须低于1ppm。干燥的正负极片移入手套箱后，将LiMn2O4正极、隔膜、电解液和Li片负极按顺序装入扣式2025模具中（见下图），然后用封口机压封。4.实验模拟电池的测试a.将待测的电池与测试仪器相连，注意避免正负极的短路。b.从微机上启动软件，确认已连接的通道。c.对各通道进行过程参数设置,要求分别用1C进行充放电测试。d.启动通道进行测试。e.一个循环后对所得数据进行处理。五、数据记录和处理1.充放电参数设置（1）倍率充电1C（E≤4.2V）（2）恒压充电4.2V（3）静置（4）倍率放电1C（E≥2.7V）2.模拟电池的首次充放电性能（容量-电压图）-0.020.000.020.040.060.080.100.120.140.160.182.62.83.03.23.43.63.84.04.2Voltage/VCapacity/mAhchargedischarge3.模拟电池的循环性能（循环次数-容量图）010203040500.140.160.180.200.220.240.260.28Capacity/mAhCyclechargedischarge4.称量数据记录（1）活性物质（LiMn2O4）：4.0048gPVDF：0.5013g乙炔黑：0.5013g（2）铝箔质量：6.428mg涂上去活性物质后铝箔的质量：10.3mg活性物质质量：3.872mg六、提问与思考1.锂离子电池的化学原理在放电时，正极从外部电子线路获取电子，锂离子嵌入正极，部分Mn4+被还原成Mn3+，而负极石墨层间的锂离子脱出，同时电子通过外部电路线路释放；充电时，正极把电子释放给外部电子线路，锂离子从正极材料中脱嵌，负极则从外部电子线路获取电子，锂离子嵌入。2.锂电池与锂离子电池的区别最主要的区别是金属锂电池是一次性电池，锂离子电池是可充电循环电池。锂离子电池是锂电池的改进型产品。锂电池很早以前就有了，但锂是一种高度活跃的金属，它使用时不太安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来就有了改进型的锂离子电池，加入了能抑制锂元素活跃的成份，比如钴、锰等，从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了。锂电池是用金属锂作为电极的一种储能电池,比能量极高,早期分为一次性电池和可充电锂电池,但在可充电锂电池发生事故以后,民用市场上已经很少见得到可充电锂电池。锂离子充电电池实际上是利用锂离子的浓度差进行储能和放电,电池中不存在金属锂。金属锂电池跟普通干电池的原理一样，它是用金属锂作为电极，通过金属锂的腐蚀或叫氧化来产生电能的，用完就废了，不能充电。锂离子电池一般用钴酸锂做正极，碳做负极，中间填充电解液以形成离子游离的通道，用隔膜来分离正负极防止短路。当充电时由于电场作用锂离子从钴酸锂中游出，游离在电液中穿过隔膜中的孔隙，到达负极与碳反应生成碳化锂；放电过程与此相反，锂离子又回到正极，这就是锂离子电池的充放电过程。锂电池，阳极：Li-(Li+)+e阴极：MnO2+(Li+)+e-MnOOLi这种比较早，现在有新的正极材料。由于易产生枝晶引起爆炸，所以早已不再应用。锂离子电池，其点极材料一般层状，可以溶入和溶出锂离子。离子进出就产生了电流。充电时，锂离子从正极脱出；放电时，从负极脱出。3.常用锂离子电池正极材料的比较4.锂离子电池的种类及发展种类：液体锂离子电池和聚合物锂离子电池。发展：在各个领域不断取代镉镍和氢镍电池，成为化学电源应用领域中最具有竞争力的电池。目前，锂离子电池已被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、个人数据助理、手提终端机、无线装置、数字相机等携式电子设备中。在军事中采用的电池，也大多数采用锂离子电池。锂离子电池还在空间技术、医疗等众多领域有着广阔的应用前景。随着锂离子电池新材料的不断发展，电池的安全性和循环寿命不断提高，成本越来越低，锂离子电池成为电动汽车的首选高能动力电池之一。5.锂离子电池的优缺点优点：工作电压高（3.6V）、能力密度大、体积比能量高（500-800Wh/L）、自放电率小、低污染、无记忆效应、全固态，高安全性和可靠性、工作温度范围宽，-30～+45℃，随着电解质和正极的改进，期望能拓宽到-40～+70℃，低温有可能拓展到-60℃、对环境友好、循环寿命长等。缺点：成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，随着正极技术的不断发展，可以采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极，从而有望大大降低锂离子电池的成本；必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放；与普通电池的相容性差，因为一般要在用3节普通电池(3.6V)的情况下才能用锂离子电池进行替代。6.以尖晶石LiMn2O4为例计算电池的理论比容量。（提示：尖晶石在充放电过程中得失电子数为1）C=26.8nm/M=26.8×1×1/181=0.148Ah/g=148mAh/g