实验室组装扣式电池的流程介绍

扣式电池

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。

一.扣式电池基本介绍

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。

1.1  电池壳

下图为CR2032扣式电池电池壳，正极壳较大，负极壳为表面有网状结构且较小，所以一般组装过程从负极壳开始。

图1  CR2032扣式电池正极壳（左），负极壳（右）

1.2  极片

极片的制备工艺对电化学性能能否充分发挥有重要影响，我们会在2.1中重点讲解，此处简要介绍。下图为正极材料所制备的极片。

图2  正极片（左）与铝箔（右）

正负极极片的制备流程相同，区别在于正极涂布在铝箔上，负极涂布在在铜箔上，这是为何呢？

首先，两者的导电性都相对较好，质地比较柔软，价格也相对较低。

其次，铝本身比较活泼，在低电位下，铝会出现嵌锂，生成锂铝合金，不宜作为负极的集流体。如果使用铝箔作为负极的集流体，铝会和锂形成合金，然后粉化，严重影响电池的寿命和性能。

最后，铜在高电位下容易氧化，不宜作为正极的集流体，铜表面的氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚时，阻抗会增加。同时锂不会与同在地点为下形成嵌锂合金。

什么样的极片才是好极片？

应该满足这几方面：（1）浆料涂布均匀，观察不到明显的厚度不均匀，特别薄的地方甚至能观察到亮色的铝箔；（2）极片保持完整圆形未受损坏，周围尽量没有毛刺；（3）极片涂布区域没有颗粒物并且没有明显的掉粉现象。

1.3  隔膜

实验室所用隔膜一般为Celgard2400或者Celgard系列其他产品，冲压成小圆片后使用，直径略大于正负极极片。可以根据电池性能要求不同选择隔膜，关于隔膜的选择和参数，请见后期关于锂电池隔膜的选择以及参数意义的介绍。

隔膜的作用是什么呢？

简单的说，如果没有隔膜，正负极就直接接触，也就是会发生短路，这也就是为什么有的电池中要抑制锂枝晶的产生，就是防止其刺破隔膜，引起局部短路，而造成安全事故。隔膜一般采用聚乙烯等高分子材料，不导电，其结构中有许多微孔，允许锂离子通过,虽然它是绝缘体，但“不允许电子通过的说法并不准确”。

1.4  锂片（即负极片）

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。

图3  适合CR2032电池使用的金属锂片

1.5  垫片

垫片为圆形的铝片，直径与锂片大小一样，实验中，可以根据需求购买不同规格和厚度等。

注意：垫片、正负极壳等组件，在使用前要用酒精反复超声清洗，然后鼓风干燥箱烘干

图4  垫片

1.6  弹片（支撑片）

弹片主要是起到支撑电池的作用，如果没有弹片，在压电池的步骤中会把电池压的很扁，内部组件可能被压坏。弹片只在负极侧加，但是若正负极都加了弹片，压电池步骤中不能将扣电封闭，导致电解液与空气接触，而实验失败。

图5  弹片（支撑片）

1.7  电解液

不同的材料一般对应不同的电解液，在进行时实验时千万不要图省事将就，小批量的电解液可以找公司索要，一般都会给。个别特殊的电解液，如低温电解液等，可能需要购买，价格还不低。

二.扣式电池的组装

2.1  正极片的制备

极片的制备主要分为两个步骤：（1）浆料的制备；（2）涂布、干燥、压片等步骤。

2.1.1  浆料的制备（以磷酸铁锂为例）

溶剂	正极材料	导电剂	粘结剂
N-甲基吡咯烷酮（NMP）	磷酸铁锂	Super P	聚偏二氟乙烯（PVDF）

 

浆料由溶剂、正极材料、导电剂和粘结剂组成。

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。

若制备的正极材料较少，可以将三种物质按比例混合，用吸管假如逐滴假如NMP，然后小研钵中研磨，这个过程中要注意溶剂NMP的量，若NMP加入的过多，可以在红外红灯下适当烘干。

活性物质较多时，取0.4g活性物质，相应的导电剂和粘结剂的量为0.05g，使用20*20或者20*40规格的称量瓶，先后加入NMP、活性物质、导电剂和粘结剂，加入次序影响最终极片的制备质量。根据《扣式锂离子电池的制备工艺研究》以及一些研友的实验经验，按以下次序添加各物质，效果最好。

NMP和PVDF溶液的配制

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。

浆料的配置步骤：

第一步：用移液枪量取2ml的0.025g/ml 的NMP/PVDF溶液，放入D15搅拌子进行磁力搅拌；

第二步：称取0.05g导电剂Super P缓慢加入称量瓶中，搅拌20min。加入过程中尽量不要使导电剂碰到上侧瓶壁，更不要因为加入的太快而使导电剂散出称量瓶。

第三步：称取0.4g活性物质，加入称量瓶中。注意事项同上，加入后搅拌4-5小时，搅拌时间不固定，以浆料粘稠状态为准。

另有报道，在磁力搅拌后，进行15min的超声搅拌，性能更好。

何种浆料状态为最好？

一般来说，轻轻晃动称量瓶，混合物既不是粘度很高无法流动，又不是像水一样易动而不挂壁即可。太稠可以加入一滴NMP继续搅拌一会儿，一般一滴就足够了。太稀可以将称量瓶放入鼓风干燥箱烘干一会儿。

也可使用王琦师兄的配料方式，不过这种方式耗时较长。

注意：第二三步的顺序尽量不要颠倒。

2.1.2  极片的涂布

一般使用刮刀和流延涂覆机，进行涂布，正极材料涂布在铝箔上，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。涂布过程比较简单，但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，一来去掉可能存在的棉絮二来不要划伤铝箔。

2.1.3  极片的干燥和压片

之所以要单列一节，是因为这是个需要严格执行的过程，但是干燥温度可以有变化。另外,极片质量的好坏可以用掉粉程度来衡量,若掉粉容易,电池在循环过程中,活性物质会从铝箔上脱落,溶解在电解液里,隔膜会被染黑。

干燥的目的在于去除浆料中大量的溶剂NMP以及其中的水分，所以要经过鼓风干燥和真空干燥两个步骤。每个步骤的具体温度和时间，不同工作中有不同的报道，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，每个温度时间不同，最高温度可以设置为100℃。另外负极的干燥温度应低于正极，有时候出现铜箔氧化的现象；

注意：干燥温度过高和时间过长，会出现严重的掉粉行为，关于鼓风干燥的温度，正极不应超过120℃，负极不超过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，而使干燥效果不好。不经过真空干燥也是可以的，但是有条件的最好不要省略这个步骤。

2.1.4  压片

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。

裁剪隔膜、极片以及活性物质含量计算的步骤在此忽略，较为简单，有问题请在材料人微信或者材料牛原网页留言。

2.1  扣式电池的组装

2.1.1  必备物品：

手套箱内：压片机(最好带数显)、镊子2把（至少有一把是塑料镊子）、药匙1把、电解液、锂片、磨口玻璃瓶(配胶头滴管)、注射器、干燥纸巾等清洁用品；

手套箱外：扣式电池壳、集电器、弹簧片（或泡沫镍）、正极片、隔膜片；

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。

2.1.2  确定水氧含量

一般的手套箱都有水氧含量的数显检测仪，布莱恩的手套箱水氧含量可以控制在低于0.05PPM，但不同手套箱的标准不尽相同。组装电池的过程，都在已经严格进行了排气-进气操作的手套箱中，严格隔绝任何可能的氧化、潮湿等干扰。若手套箱的水氧含量一直较高，应该检查手套是否破损或者对手套箱进行再生。

2.1.3  组装过程

扣式电池组装次序主要有两种，我们实验室一般习惯从负极壳开始，但也可以从正极壳开始，这个没有对错之分，全看个人习惯。

|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|

	步骤描述	步骤说明
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
3	采用胶头滴管或注射器吸取电解液，浸润正极片表面	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
4	夹取隔膜，覆盖正极片	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，应该将隔膜先对准电池壳边缘，缓缓退出镊子，均匀覆盖 下
5	再次使用胶头滴管/注射器吸取电解液，润湿隔膜表面。	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
6	夹取锂片放置于隔膜 正中	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）
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，可以进行小心的调整
8	夹取弹片置于垫片上，严格对齐	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
9	镊子夹取负极壳覆盖	无需说明

 

三.一些问题出现的原因

电池组装后，在测试时会出现一些问题，以下是可能遇到的问题以及部分解释

3.1  开路电压低的原因

（1）极片的毛刺穿破隔膜，造成电池短路；

（2）电池装配过程中，正负极偏移，导致短路；

（3）压电池步骤出错，导致电池装配不紧密，电池正负极外壳与正负极片虚接，造成短路。

3.2  电化学阻抗大

（1）导电剂添加量不够；

（2）隔膜的孔隙率小，使得电解液中的锂离子不能能够顺利通过；

（3）电解液分解，其中的锂盐减少。

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。