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学术研究人员扣式全电池制作指南

扣式半电池组装相对容易,且能提供可重复的实验数据,所以在实验室中常被用来评估电池材料的性能。然而,他们无法准确预测材料在实际锂离子电池中的表现(称为“全电池”)。这主要是因为半电池具有丰富的锂,会掩盖电池中的副反应问题。再者,半电池体系不能确定正负极之间相互作用的影响。为了准确地预测新电极材料的性能,开发精确且可重复性强的扣式全电池的组装方法是有价值的。
为此,加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学的Jeff Dahn课题组在此方面开展了非常细致的工作。作者开发了使用石墨作为负极材料制备扣式全电池的方法,并提供了详细的说明,使研究人员能够制备出高质量的扣式全电池。本文中的电池组装方法可以与Marks等人提出的电极制造方法相结合,用于完整地评估电池材料的实际性能(J. Electrochem. Soc., 158, A51 (2011))。实验部分见文末,非常详细。
结果和讨论学术研究人员扣式全电池制作指南                                图1. 两种常见的扣式全电池结构,组装顺序自下而上。
作者依据传统的金属Li半电池设计并组装了完整的扣式全电池(NMC622/石墨)。当制备常规半电池时,常使用圆形Li片作为负极。Li片面积通常大于正极(或工作负极)。然而,当制造全电池时,最好使用具有相同尺寸的正极和负极。在这项工作中,作者使用了直径相同的正极和负极。图2a显示了三个代表性电池(电池的结构如图1a所示)的放电容量与循环次数关系曲线,三者的测试结果迥异。为了找到原因,作者将这些电池转移到氩气氛手套箱中拆开并拍照(图2b)。观察到在电池II和III中,正极片和负极片未精确对准,错位严重,如图中的红色圆圈所示(图2c)。
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图2. (a)三个相同的电池I,II,III(a)放电比容量与循环次数关系曲线,(b)三个电池拆开后的照片,(c)电池II和III的放大照片。(c)中的绿色箭头表示有Li析出,其中正极与负极对准不佳,有错位。所有电池工作条件:30℃,电压范围3-4.3V,循环电流C/ 3,化成电流C/5。
随后,作者进一步观察到,析锂发生在正极未被负极覆盖的区域中。电池I在100个循环后保留了其初始容量的95%,电池II保留90%,电池III仅保留80%。容量损失与这三个电池电极片的未对准程度直接相关。基于电极尺寸而言,并且即使非常小的错位也会导致显著的容量损失,这种组装方法显然不适用于测试电极材料的性能。那么,有没有方法减轻或完全阻止这种情况的发生?看大牛支招!学术研究人员扣式全电池制作指南
图3. 使用真空吸笔组装的B电池(绿色)和常规A电池(黑色)的归一化容量与循环次数关系曲线。A电池在C/5下化成,在C/3下循环。B电池在C/10下化成,在C/5下循环。所有电池在30℃下循环,电压范围3-4.3V。
作者在经过多次实验总结出,当将弹片和垫片放置在电极/隔膜的上层时会发生未对准的情况。通常,实验者会使用镊子进行这种电池的组装。当使用这种方法时,弹片和垫片会因为重心不稳的原因向某一侧成小角度倾斜。即使这种倾斜非常轻微也足以引起正负极片错位。为了改善这一问题,作者使用相同的结构制造了几个电池,不同的是,使用真空吸笔代替镊子将弹片和垫片放置在电池中。这种方法能够从极片/隔膜正上方垂直放置弹片和垫片,避免了倾斜问题的发生。对比使用真空吸笔组装的B电池(绿色)和用常规方法制成的A电池(黑色),我们可以看出电池性能得到显著改善(图3)。
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图4.(a)用两层Celgard隔膜制成的电池,与(b)用一层BMF隔膜制成的电池相比较。电池测试条件:30℃,电压范围3-4.3V,化成电流C/10,循环电流C/5。
借助于真空吸笔组装的电池在性能和可重复性方面都得到了明显改善,但是它们仍然达不到我们对扣式全电池高度对准的要求。又该怎么办?
那么接下来,我们先考虑下两层Celgard隔膜的情况。当电池卷曲时,它们也会略微弯曲。当这种情况发生在半电池中时,柔韧的Li片与电池一起弯曲,可保持电池中各个组件的紧密接触。然而,当组装全电池时,负极不那么柔韧,因此我们就需要考虑整个电池中是否存在不均匀的压力。BMF隔膜比Celgard隔膜更厚,可压缩性更强,这有助于扣式全电池电极表面保持更均匀的压力。图4 展示了使用两层Celgard隔膜(结构A)电池和一层BMF隔膜电池(结构B)测试结果。结果表明,使用单层BMF隔膜显著提高了扣式全电池测试结果的可重现性(图4b)。
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图5. NMC622/石墨电池(a)软包电池,(b)扣式全电池。A和C分别代表软包和扣式全电池在冬季循环100圈的测试结果的可重复性对比。B代表软包电池在秋季测试结果的可重复性对比,D代表扣式全电池在夏季测试结果的可重复性对比。B和D循环200圈。电池测试条件:30℃,电压范围3-4.3V,化成电流C/10,循环电流C/5。
最后,作者还使用相同直径的电极,单层BMF隔膜并使用真空吸笔组装了扣式全电池。所制备的的扣式全电池(图5b)与机器制造的软包电池(图5a)对比测试如下:
i)在冬季进行的电化学测试,100个循环(A,C)之后停止;
ii)在夏季进行的电化学测试,200个循环(B,D)之后停止。
在夏季测试时,当时室外温度上升,温度控制环境略高于30℃设定值。在数据中可以看到,相较于软包电池,扣式电池受温度变化影响更大,这进一步说明控制实验过程中每个方面的重要性。尽管如此,结果仍表明,这种方法组装的扣式全电池(真空吸笔+单个BMF隔膜组装的电池)具有比之前所组装全电池(常规方法组装的扣式电池,使用真空吸笔+两层Celgard隔膜组装的电池)更高的精度。
综上:
扣式全电池最佳组装方式:真空吸笔垂直放置垫片和弹片+单层BMF隔膜;
对于扣式电池,相比于冬天测试,夏天测试对电池测试结果一致性影响较大;
扣式电池与软包电池相比,扣式电池受温度影响较大。
更多讨论:
如图1,作者采用的是自下而上的组装方式,即正极壳+正极+隔膜+负极+垫片+弹片+负极壳,主要是为了适应封口机的封装,即正极壳在下,负极壳在上。有些朋友组装半电池时,常常会采用相反的组装顺序,但是封装时需要将组装好的电池旋转180°,这样对极片的错位影响更大。也许因为锂片相对工作电极面积较大,如此操作对半电池尚且可行,但对于全电池则影响甚大,弹片和垫片在旋转的过程中更会对正负极的错位造成严重影响。此外,有些朋友会将电池拿到手套箱外封装,这个过程叮叮当当,正负极片错位的概率和程度会更大。
实验部分(非常详细,建议参考)
电解液:浓度1mol/L,溶质为LiPF6 (Capchem,深圳,中国99.9%);溶剂为碳酸亚乙酯(EC,Capchem,<20ppm H2O)和碳酸二乙酯(DEC,Capchem,<20ppm H2O),质量比1:1。电解液添加剂为LiPO2F2(Capchem),按1%质量比添加。
电池材料:正极材料为LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC622),负极材料为石墨。
电极制备:扣式全电池中电极与软包电池中电极完全相同。在NMC622材料表面涂覆Al2O3,其通常用于改善正极稳定性。1)正极的质量负载为21.3mg/cm2,涂层压制到密度3.3g/cm2。配方为96%活性物质:2%PVDF粘合剂:2%Super S导电炭黑(重量比)。2)石墨(东莞凯金,AML-400)负极的负载为13.2mg/cm2 ,并将涂层压制到密度1.55g/cm2。配方为96%活性物质:2%CMC/SBR粘合剂:2%Super S导电炭黑(重量比)。将烘干后的电极在空气中冲压切片,转移到手套箱之前在110℃下真空手套箱中加热过夜。
电解液的滴加:为了保持电解液溶液与电极表面积的比率恒定,所有扣式电池使用相同体积的电解液。用注射器在扣式电池的各层之间滴加电解液。一滴电解液质量为2.0±0.1mg。
针对两种不同结构的电池,电解液使用量如下所示:
1)两层Celgard隔膜扣式全电池结构(图1a):
将6滴电解液均匀地滴在正极上,随后放置第一层Celgard隔膜,再滴6滴;
在放置第二层Celgard隔膜后,滴4滴;
放置负极之前,将3滴电解液均匀地滴在负极上,然后将其与正极对准放置。
电解液总质量约为:
19滴×2.0毫克/滴= 38毫克
2)BMF隔膜扣式全电池(图1b):
在正极上添加6滴;
添加BMF隔膜,滴加12滴电解液;
放置负极之前,将3滴电解液均匀地滴在负极上,然后将其与正极对准放置。
电解液总质量约为42mg。BMF隔膜(3M公司,聚丙烯微纤维)厚约0.25毫米,孔隙率约90%,非常柔软。
测试方式:使用Maccor 4000系列自动测试系统(Maccor Inc.,USA),将所有电池在30.0±0.1℃温度范围,在3.0-4.3V条件下进行充放电循环。在C/5电流密度下化成,C/3下循环或者在C/10电流密度下化成,C/5下循环。循环后,将一些电池拆开以检查电极的对准问题,以帮助解释实验测试结果。
软包电池(袋式电池)制备:规格为240mAh NMC622 /石墨402035电池。电解液用量为1.00±0.02g,电解液配方为1mol L−1 LiPF6溶于1:1 EC/DEC溶剂,1%LiPO2F2添加剂(质量比)。使用深圳科晶电池密封机(MSK-115A,MTI Corp.)在-90kPa压力下预封电池,并立即在室温下将电池保持在1.5V(21~25℃)以防止铜集流体腐蚀,静置~24小时。然后,将电池转移到恒温箱(30.0±0.1℃)中并连接到Maccor 4000系列自动测试系统(Maccor Inc.)。因为化成期间发生有气体产生,所以使用软橡胶(在~25kPa压力下)夹紧软包电池。在2.8-4.3V和C/10条件下进行化成,跑完一圈后,将电池充电至3.8V并停止。在氩气氛围中,将电池气囊处切口并进行二封,以除去化成过程中产生的气体。最后,取出电池进行循环测试。
参考文献:
Vivian Murray, David S. Hall, J. R. Dahn, A Guide to Full Coin Cell Making for Academic Researchers, Journal of The Electrochemical Society, 166 (2) A329-A333 (2019)

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参考文献:Journal of The Electrochemical Society

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