實驗室扣式電池除了用於對現有材料的性能進行檢測之外，還用於對新材料、新工藝產品進行初步的電化學性能測試與評價，正確的組裝扣式電池對該材料的開發與製備、全電池設計與應用有著重要意義。

內容章節（萬字長文，建議收藏閱讀）

1，扣式電池基本介紹

2，扣式電池的組裝準備

3，扣式電池的組裝

4，扣式電池製備中的注意事項

5，扣式電池的充放電測試方法

6，扣式電池基本數據分析

7，測試過程常見問題解析

扣式電池基本介紹

鋰離子扣式電池主要由以下幾部分組成：正極殼、負極殼、（正/負）極片、隔膜、墊片、彈片、電解液。（如圖1）

常用的正規的商品扣式電池CR2032中的C表示正極是MnO2,還有BR系列，B表示正極是氟化碳。C或者B代表扣電體系，R代表電池外形為圓形。前兩位數字為直徑（單位 mm），後兩位數字為厚度（單位 0.1 mm），取兩者的接近數字。例如 CR2032 的大致尺寸為直徑 20 mm，厚度 3.2 mm。

1.1 電池殼

下圖為CR2032扣式電池電池殼，正極殼較大，負極殼為表面有網狀結構且較小，所以一般組裝過程從負極殼開始。

1.2 極片

極片的製備工藝對電化學性能能否充分發揮有重要影響，我們會在2.1中重點講解，此處簡要介紹。下圖為正極材料所製備的極片。

鋰離子電池極片的正、負極集流體分別為鋁箔和銅箔。如果選用單面光滑的箔材，往往在粗糙面上進行塗布，以增加集流體與材料之間的結合力。箔材的厚度要求不嚴格，但對箔材的面密度均勻性有比較高的要求。矽基負極材料一般選用塗碳銅箔以提高黏附性，降低接觸電阻，以增加測試結果的重現性，提高充放電循環性能

註：什麼樣的極片才是好極片？

應該滿足這幾方面：①漿料塗布均勻，觀察不到明顯的厚度不均勻，特別薄的地方甚至能觀察到亮色的鋁箔；②極片保持完整圓形未受損壞，周圍儘量沒有毛刺；③極片塗布區域沒有顆粒物並且沒有明顯的掉粉現象。

1.3 隔膜

實驗室所用隔膜一般為Celgard2400或者Celgard系列其他產品，衝壓成小圓片後使用，直徑略大於正負極極片。可以根據電池性能要求不同選擇隔膜，關於隔膜的選擇和參數，請見後期關於鋰電池隔膜的選擇以及參數意義的介紹。

註：隔膜的作用是什麼呢？

簡單的說，如果沒有隔膜，正負極就直接接觸，也就是會發生短路，這也就是為什麼有的電池中要抑制鋰枝晶的產生，就是防止其刺破隔膜，引起局部短路，而造成安全事故。隔膜一般採用聚乙烯等高分子材料，不導電，其結構中有許多微孔，允許鋰離子通過。

1.4 鋰片（即負極片）

負極片直徑略小於負極殼直徑，CR2032的鋰片直徑為15.8mm，實驗室常採用直徑為14mm（對應CR2032 扣式電池）衝口模具沖正極片。

值得注意的是：鋰片比較柔軟，容易變形，所以在裝電池前可以用正極殼（因為它比較大）將變形的鋰片壓平整。而且金屬鋰在空氣中極易氧化變質，遇水容易爆炸，所以購買回來的金屬鋰片需要在手套箱中打開，打開時注意，不要損壞手套。

1.5 墊片

墊片為圓形的鋁片，直徑與鋰片大小一樣，實驗中，可以根據需求購買不同規格和厚度等。

注意：墊片、正負極殼等組件，在使用前要用酒精反覆超聲清洗，然後鼓風乾燥箱烘乾

1.6 彈片（支撐片）

彈片主要是起到支撐電池的作用，如果沒有彈片，在壓電池的步驟中會把電池壓的很扁，內部組件可能被壓壞。彈片只在負極側加，但是若正負極都加了彈片，壓電池步驟中不能將扣電封閉，導致電解液與空氣接觸，而實驗失敗。

1.7 電解液

不同的材料一般對應不同的電解液，在進行時實驗時千萬不要圖省事將就，小批量的電解液可以找公司索要，一般都會給。個別特殊的電解液，如低溫電解液等，可能需要購買，價格還不低。

1.8 材料的選擇

正負極活性材料一般為粉末材料，顆粒尺寸應不宜過大以便於均勻塗布，同時避免由於顆粒較大導致測試結果受到材料動力學性質的限制以及造成的極片不均勻性問題。

用於實驗室研究的正負極材料一般最大顆粒直徑（Dmax）不超過50μm，工業應用的鋰電材料的Dmax一般小於30μm。大顆粒、團聚體或者納米級別的材料，往往經過過篩或者研磨處理。鋰電池常用導電劑為碳基導電劑，包括（AB）、導電炭黑、Super P、350G等導電材料。常用黏結劑體系包括聚偏氟乙烯-油性體系[即poly(vinylidene fluoride)，PVDF體系]以及聚四氟乙烯-水性體系[即poly(fluortetraethylene)，一般為乳液，簡稱PTFE 體系]，SBR（丁苯橡膠）乳液等。油系溶劑常採用NMP（）等

扣式電池的組裝準備

2.1 正極片的製備

實驗室極片製備過程一般分為混料和塗覆兩個過程。其中混料工藝包括手工研磨法和機械混漿法，塗覆工藝是手工塗覆和機械塗覆。

進行混料時，依據供料的多少來確定採用手工研磨法或機械混漿法，如活性材料的質量在0.1～5.0g時建議採用手工研磨法，活性材料的質量超過5.0g時，建議採用混料機進行混料。實驗室中每次混漿量有限，常採用手工塗覆，當漿料足夠時可採用小型塗覆機。整個極片製作過程需要在乾燥環境下進行，所用材料、設備都需要保持乾燥

圖7為手工混料塗覆方法製備極片過程，包括前期材料製備、活性材料和導電劑的稱取和研磨、添加黏結劑、漿料研磨、手工塗布極片、極片乾燥等過程。機械混漿過程中，則包含材料準備、儀器準備、配置黏結劑漿料、加入導電添加劑、配置漿料、加入電極材料配置漿料，塗布以及極片烘烤等步驟（圖8）。

值的注意的是需先將黏結劑（如PVDF）加入溶劑NMP中，在50 ℃以下攪拌至PVDF完全溶解，然後根據漿料配製比例再進行進行配比。在混料過程中要將黏在壁上的材料取下並混入漿中，避免因為比例失真而造成計算材料比例時出現偏差。混漿過程時間過短或過長、漿料不勻或過細都會影響到極片整體質量和均勻性，並直接影響材料電化學性能發揮及對其的評價。

2.1.1 漿料的製備（以磷酸鐵鋰為例）。

漿料由溶劑、正極材料、導電劑和粘結劑組成。實驗室製備極片時，混料比例和步驟依據測試材料及混料工藝的不同而有差別。如常見的石墨負極極片中，CMC（羧甲基纖維素鈉）的含量一般低於10%，SBR的含量一般低於10%，導電添加劑的含量一般低於10%（高倍率電池除外）。而在矽基負極材料中，考慮到矽基負極材料的導電性較差，因此需增加極片中的黏結劑含量和改變導電添加劑的種類，有些人將CMC的比例調整為20%，SBR 的比例調整為20%，導電添加劑中加入CNT（碳納米管）；對於高功率電池極片研發測試時，往往增加導電劑的含量，比例可調整為20%左右。高比例黏結劑和導電添加劑是為了充分展示正負極活性材料的電化學特性，而實際鋰離子電池中電極極片的黏結劑質量比往往在2%左右，導電添加劑比例往往在1%～2%。

鋰離子電池材料的稱量精度不應該低於稱量質量1%的電子天平，以免引入較大的稱量誤差。活性材料及導電劑的稱量可以直接稱量粉體，而黏結劑的稱量則是先稱量粉體後與一定量的溶劑繼續配比製備黏結劑溶液（如PVDF溶於NMP中溶解比例為10%，質量分數），再根據實際加入體積算出其中的黏結劑固體含量。

NMP和PVDF溶液的配製

首先，配製NMP和PVDF的溶液，這樣在每次配製漿料時能節省很多時間，可以配製0.02g/ml、0.025g/ml和0.03g/ml的三種，選擇合適自己材料的濃度使用。配製方法很簡單，只需要將兩種物質在廣口瓶中混合就行，通過磁力攪拌，溶液中沒有白色物質就行。

需要注意的是：配製結束後，廣口瓶要通過封口膠密封，因為NMP容易吸水或者變質。

漿料的配置步驟：

第一步：用移液槍量取2ml的0.025g/ml 的NMP/PVDF溶液，放入D15攪拌子進行磁力攪拌；

第二步：稱取0.05g導電劑Super P緩慢加入稱量瓶中，攪拌20min。加入過程中儘量不要使導電劑碰到上側瓶壁，更不要因為加入的太快而使導電劑散出稱量瓶。

第三步：稱取0.4g活性物質，加入稱量瓶中。注意事項同上，加入後攪拌4-5小時，攪拌時間不固定，以漿料粘稠狀態為準。

另有報導，在磁力攪拌後，進行15min的超聲攪拌，性能更好。

註：何種漿料狀態為最好？

一般來說，輕輕晃動稱量瓶，混合物既不是粘度很高無法流動，又不是像水一樣易動而不掛壁即可。太稠可以加入一滴NMP繼續攪拌一會兒，一般一滴就足夠了。太稀可以將稱量瓶放入鼓風乾燥箱烘乾一會兒。

注意：第二三步的順序儘量不要顛倒。

2.1.2 極片的塗布

一般使用刮刀和流延塗覆機，進行塗布，正極材料塗布在鋁箔上，負極塗布在銅箔上。沒有塗覆機的同學可以使用玻璃板和刮刀進行塗布。塗布過程比較簡單，但是需要注意以下幾點：①鋁箔需要平整，要儘可能的減少褶皺；②塗布前要用酒精和脫脂棉仔細清潔鋁箔和塗覆機平台；③脫脂棉清潔後要用衛生紙小心清潔一次，一來去掉可能存在的棉絮二來不要劃傷鋁箔。

此外，特別需要注意的是，一般極片的面容量設為2～4mA·h/cm2，最低不建議低於1mA·h/cm2，這樣的活性物質負載量與工業應用的更為接近，便於準確對標評價材料的倍率和低溫特性。個別情況下，可以超過這一負載量，例如針對厚電極的研究。低於這一面容量製作的極片，一方面，稱量誤差較大；此外，由於極片薄，動力學性能較好，體積變化較小，電解液相對遠遠過量，這樣有利於測到材料的最高容量，但半電池測到的倍率、循環性有可能會顯著高於實際全電池工作條件下的性能，此時的動力學及循環性數據結果並不能和大容量實際電池有較好的對應關係。

當然，即便和實際體系的要求有差異，但如果所有材料按照同一極片的製作條件來對比，對於比較材料的性能差異也有一定意義。但不同極片製作條件下的動力學、循環性能數據對比，往往可靠性低，而實驗室手工製作的薄極片的一致性往往很難保證。

2.1.3 極片的乾燥和壓片

極片的乾燥一般需要考慮三點，烘烤溫度、烘烤時間、烘烤環境，對於NMP 油系的烘烤溫度需要100℃以上，在能夠烘乾的前提下，儘量降低烘烤溫度，增加烘烤時間。對於一些容易氧化或者在高溫空氣中不穩定的材料，需要在惰性氣氛烘箱中烘烤。還可以通過直接測量極片水分含量來確定乾燥條件。另外,極片質量的好壞可以用掉粉程度來衡量,若掉粉容易,電池在循環過程中,活性物質會從鋁箔上脫落,溶解在電解液里,隔膜會被染黑。

乾燥的目的在於去除漿料中大量的溶劑NMP以及其中的水分，所以要經過鼓風乾燥和真空乾燥兩個步驟。每個步驟的具體溫度和時間，不同工作中有不同的報導，但需要注意：

①乾燥NMP的溫度不需要太高，但由於溶劑太多，需要較多的熱量，所以乾燥時間較長；

②由於水的沸點是100℃，所以鼓風乾燥的溫度需要較高，但由於水分含量較少，乾燥時間可以縮短，在鼓風乾燥時，可以設置兩個溫度段，每個溫度時間不同，最高溫度可以設置為100℃。另外負極的乾燥溫度應低於正極，有時候出現銅箔氧化的現象；

注意：乾燥溫度過高和時間過長，會出現嚴重的掉粉行為，關於鼓風乾燥的溫度，正極不應超過120℃，負極不超過90℃。

③鼓風乾燥後，要經過真空乾燥，溫度一般設定為120℃，時間10小時左右。但不可以不經過鼓風乾燥直接進行真空乾燥，這樣操作會導致NMP充滿於真空乾燥箱內，而使乾燥效果不好。不經過真空乾燥也是可以的，但是有條件的最好不要省略這個步驟。

2.1.4 壓片

塗布後，乾燥出的複合材料塗層比較疏鬆。若直接使用，被電解液浸潤後容易脫落損壞。極片的輥壓過程中需要將極片壓實，壓實密度儘量接近工業中極片的壓實密度。可採用對輥機或者壓片機等進行壓片處理，對輥機一般可將正極片塗層壓制到15-60μm。壓片機可以採用大約80-120kg/cm2壓強進行壓制。壓片後的電極，穩定性、牢固性以及電化學性能都獲得了改善，測試表現要好於不壓片的樣本。

壓片主要目的有兩個：一是為了消除毛刺，使表面光滑、平整，防止裝電池時毛刺刺破隔膜引起短路；二是增強極片的強度，減小歐姆阻抗。壓力過大會引起極片的捲曲，不利於電池裝配，壓力過小又起不到壓片的作用。

2.1.5 沖切

將製備好的極片，用稱量紙上下夾好，放到衝壓機上衝出小極片（圖9），小極片直徑可根據衝壓機的衝口模具尺寸進行調整，實驗室常採用直徑為14mm（對應CR2032 扣式電池）衝口模具。

對沖好的小極片進行優劣選擇，儘量挑選形貌規則、表面及邊緣平整的極片，若極片邊緣有毛刺或起料，可採用小毛刷進行輕微處理。衝壓製備的小極片數量根據測試要求和塗片面積進行調整，一般用於充放電測試的極片數量不低於5片（建議挑選8片以上完整測試極片）。

2.1.5 稱重，乾燥

將挑選合格後的小極片移到精度較高的天平（精度不低於0.01mg）進行稱量，稱好的極片放到待裝電池的袋子裡，並記錄對應數據（圖10）。除極片的質量稱量之外，在採用厚度儀對極片的厚度進行測量時，多個極片的測量數值誤差在3%以內則認為該極片厚度均一性良好，並記錄厚度平均值。

將稱好的極片放入真空乾燥箱，抽真空至0.1MPa，設定乾燥溫度和時間，可以採用120 ℃烘烤6 h，這一步驟的目的是進一步去除極片中的水分。啟動運行升溫後建議標註實驗信息（圖11），防止其它人誤操作。

2.2 雙面極片處理方法

在實驗室測試分析中，還包括對一些工業生產線上製備極片以及從電芯拆解取出極片的電化學性能進行分析評估。上述極片多為雙面塗覆極片，因此在組裝扣式電池測試之前需將雙面極片處理成單面極片（暴露出集流體）。

常用的處理方法包括刮刀法、擦拭法以及背面貼膠法。

刮刀法主要採用手術刀對目標極片一側進行刮劃，可直接在手套箱內操作，但該方法較易損傷集流體，且耗時較長，不建議採用。

擦拭法需要採用水作溶劑對負極片一側進行擦拭，正極片則可採用NMP（N-甲基吡咯烷酮）作溶劑擦拭。擦拭至背面無明顯活性材料（目視觀測即可）後，用衝壓機進行沖片處理，製備成標準尺寸的單面極片。該方法操作簡單，但易出現溶劑滲透或氣氛滲透，對極片另一側表面產生影響。另外，該方法難以製備極片邊緣處樣品，多用於製備極片中心區域樣品。

背面貼膠法是中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）失效分析團隊近期發展的一種雙面極片處理方法，即採用邊緣摺疊和背面貼導電膠，將目標極片的背面包裹於集流體和導電膠內部，形成單面極片。該方法操作簡便，可以方便地在雙面極片上任意部位取樣製作單面極片，整個過程可以在手套箱內完成。

單面處理後的目標極片樣品需要進行清洗，目的是去除極片表面的鋰鹽和殘餘電解液。常採用的方法是將單面極片浸泡於DMC 等溶劑中6～8 h，或用鈍頭鑷子夾起目標極片樣品，並利用移液器或滴管吸取DMC，對目標極片含活性物質一側進行正面沖洗數次，或者兩種方法結合使用。清洗後，將極片置於真空艙內，真空乾燥去除溶劑。清洗及真空乾燥均在手套箱內進行。乾燥後的極片可置於平整的模具中以保持極片平整，方便後期扣式電池組裝。

扣式電池的組裝

3.1 必備物品：

手套箱內：壓片機(最好帶數顯)、鑷子2把（至少有一把是塑料鑷子）、藥匙1把、電解液、鋰片、磨口玻璃瓶(配膠頭滴管)、注射器、乾燥紙巾等清潔用品；

手套箱外：扣式電池殼、集電器、彈簧片（或泡沫鎳）、正極片、隔膜片；

注意：電池組裝部件在放入手套箱中之前，要進行4小時左右的真空乾燥處理，溫度不宜太高，可以設置在60-80℃溫度。容量較大的手套箱可事先這些存儲電池部件，更清潔。原料入進箱艙門後，嚴格按照操作規程進行排氣-進氣操作，至少三次。建議在手套箱內專門放一個小型操作台，以防試劑腐蝕手套箱。電解液對於手套和手套箱內壁的腐蝕比較嚴重，應該儘量避免操作失誤。

3.2 確定水氧含量

一般的手套箱都有水氧含量的數顯檢測儀，手套箱水氧含量可以控制在低於0.1PPM，但不同手套箱的標準不盡相同。組裝電池的過程，都在已經嚴格進行了排氣-進氣操作的手套箱中，嚴格隔絕任何可能的氧化、潮濕等干擾。若手套箱的水氧含量一直較高，應該檢查手套是否破損或者對手套箱進行再生。

3.3 組裝過程

扣式電池組裝次序主要有兩種，我們實驗室一般習慣從負極殼開始，但也可以從正極殼開始，這個沒有對錯之分，全看個人習慣。

將準備好的極片轉移到惰性氣氛手套箱內，準備扣式電池組裝部件：負極殼、金屬鋰片、隔膜、墊片、彈簧片、正極殼、電解液，此外還需要壓片模具、移液器和絕緣鑷子。

組裝過程如下圖所示：將負極殼平放於絕緣台面，將金屬鋰片置於負極殼中心，並用壓片模具對金屬鋰片進行平整化處理，然後將隔膜平放於鋰片上層，用移液器取適量電解液滴加入隔膜表面。用絕緣鑷子將測試極片、墊片、彈簧片和正極殼依次置於隔膜上層，其中測試極片的活性材料一側需貼近隔膜（圖12）。

進一步，用絕緣鑷子將扣式電池負極側朝上置於扣式電池封口機模具上，可用紙巾墊於電池上方以吸收溢出的電解液，調整壓力（一般為800Pa）壓制5s完成組裝製備扣式電池，用絕緣鑷子取出，觀察製備外觀是否完整（圖13）並用紙巾擦拭乾淨。

模擬電池的組裝過程與扣式電池相似，以中科院物理所的模擬電池組裝為例，需準備組裝材料包括：模擬電池模具（一個聚四氟乙烯內膽，一個聚四氟乙烯套管，正負極殼和金屬導體柱），金屬鋰片，隔膜，電解液及待測極片。其中待測極片尺寸不能超過聚四氟乙烯內膽尺寸。如下圖，將金屬鋰片、隔膜、聚四氟乙烯內膽依次放入負極殼模具內，然後用移液器滴加一定量電解液，並將待測極片和金屬導體柱依次放入內膽中，保證活性材料一側貼近隔膜。進一步地，將套有聚四氟乙烯套管的正極殼模具安裝在負極殼模具上，完成模擬電池的組裝。

扣式電池製備中的注意事項

4.1 金屬鋰片、隔膜、電解液的選擇和處理

實驗室用金屬鋰片能夠提供遠遠過量的鋰源（1mA·h/cm2 相當於5 μm 厚鋰箔，實際購買的鋰片往往在400～500μm，相當於80～100mA·h/cm2,工業級別的正負極極片單面容量一般在2～4 mA·h/cm2），雜質少且尺寸需大於待測極片，一般可從相關企業或供應商處直接採購惰性氣氛保護下的金屬鋰片，並於惰性氣氛保護手套箱內拆解、使用。要求使用鋰片純度不低於99.9%，用於製備扣式半電池時經常採用直徑 15～15.8mm（對應極片尺寸為14mm的CR2032扣式電池），厚度0.5～0.8 mm，表面平直、銀白色光亮、無油斑、穿孔和撕裂。

隔膜的類型需根據實驗要求進行選擇，一般為具有納米孔隙的絕緣膜，吸附電解液後可允許離子雙向傳輸，常採用單層或多層的聚乙烯或聚丙烯隔膜，一般選擇採購商業隔膜，並採用沖片機隔膜製備成尺寸規則的圓形，尺寸需大於金屬鋰片和待測極片以便隔離正負極片，通常與扣式電池殼的內徑相同（如CR2032 的使用隔膜直徑為15.5～16.5 mm）。實驗室中常採用Celgard2400 或Celgard2500 型號的工業用聚丙烯膜。

在組裝實驗室用扣式鋰離子電池時，通常選擇LiPF6體系電解液[如磷酸鐵鋰電池的電解液一般為濃度1mol/L的LiPF6溶液，以EC/DEC 為1∶1（體積比）混合液作為溶劑]，並且可根據實驗要求進行選擇，如選擇普通配比電解液、含有某種或多種添加劑的電解液等。扣式電池組裝時電解液的使用量通常為過量，如在扣式電池2032中電解液的使用量一般為100～150μL，在模擬電池中電解液的使用量一般為200μL。如需進行長循環測試，可對電解液的量進行適當增加。

4.2 製備極片及電池的優劣選擇

製備後的極片表面平整，無明顯大顆粒物，且在烘烤、常溫冷卻、轉移過程中無明顯掉料現象，可初步判斷極片製備合格。進一步可通過對極片的質量、厚度、沖片後邊緣的掉料程度進行對比，如果極片的質量、厚度相差很大，極片圓片的邊緣掉料有好有壞，說明極片製備的並不合格。應選擇其中質量、厚度和邊緣掉料均一的極片組裝電池進行測試。

製備好的扣式電池和模擬電池外殼模具平整無損壞，表面無腐蝕痕跡、無明顯漏液現象。採用萬用表或電池測試儀對製備電池進行開路電壓測試，正極材料半電池開路電壓在3 V 以上，負極材料半電池開路電壓在2.5～3.5 V 內，表明組裝電池無明顯短路情況，若開路電壓異常則可視為組裝電池不合格。在篩選合格的扣式電池正極殼上用記號筆標註必要電池信息。

4.3 注意事項

在以金屬鋰作為負極的扣式半電池中，全電池中的負極材料此時實際上在扣式電池中也是正極。在扣式電池中需保證隔膜的直徑＞鋰片的直徑＞極片的直徑。在用鑷子移動整個扣式電池的時候，需要採用絕緣鑷子，防止正負極接觸短路。為保證後期電化學測試項目及考慮到誤差和操作失誤，實驗室組裝同一種材料的扣式電池或模擬電池數量一般不低於5 個。

扣式電池和模擬電池製備過程放置鋰片步驟，需將鋰片邊緣光滑面朝隔膜一側放置，必要時可以用平整的與鋰不反應的硬物壓平金屬鋰片的表面，以防止鋰片邊緣毛刺穿破隔膜導致電池短路。

扣式電池和模擬電池各組件在使用前需進行清洗，其中不鏽鋼部件可分別用去油污清潔劑、丙酮、乙醇、水依次進行超聲清洗，在使用去油污清潔劑清洗時可適當提高清洗溫度達到去除部件表面油污的目的。聚四氟乙烯部件則使用除丙酮以外的其它幾種試劑進行清洗。清洗後的部件需在烘箱中進行烘乾處理。

模擬電池組裝放置極片時，需注意極片易發生移動翻轉。使用鑷子調整時容易發生極片破損和電解液側漏，建議使用鈍頭絕緣鑷子處理。

扣式鋰電池的充放電測試方法

5.1 扣式電池的充放電模式

扣式鋰電池的充放電測試常採用恆流充電（CC）、恆流-恆壓充電（CC-CV）、恆壓充電（CV）、恆流放電（DC）對電池充放電行為進行測試分析等數據，通過分析該過程中數據的變化來表徵電池或材料的容量、庫侖效率、充放電平台以及電池內部參數變化等電化學性能參數。

而階躍式充放電模式則多用於直流內阻、極化和擴散阻抗性能的測試。考慮到活性材料的含量以及極片尺寸對測試電流的影響，恆流充電中常以電流密度形式出現，如mA/g（單位活性物質質量的電流）、mA/cm2（單位極片面積的電流）。

充放電電流的大小常採用充放電倍率來表示，即：充放電倍率（C）=充放電電流（mA）/額定容量（mA·h），如額定容量為1000mA·h的電池以500mA的電流充放電，則充放電倍率為0.5 C。目前電動汽車用鋰離子電池已發布使用的行業標準QCT/743—2006中指出鋰離子通用的充放電電流為C/3，因此含C/3 的充放電行為測試也常出現在實驗室鋰離子電池充放電測試中。

5.2 倍率性能測試

有三種形式，包括採用相同倍率恆流恆壓充電，並以不同倍率恆流放電測試，表徵和評估鋰離子電池在不同放電倍率時的性能；或者採用相同的倍率進行恆流放電，並以不同倍率恆流充電測試，表徵電池在不同倍率下的充電性能；以及充放電採用相同倍率進行充放電測試。常採用的充放電倍率有0.02C、0.05C、0.1C、C/3、0.5C、1C、2C、3C、5C 和10C 等。

對電池的循環性能進行測試時，主要需確定電池的充放電模式，周期性循環至電池容量下降到某一規定值時（通常為額定容量的80%），電池所經歷的充放電次數，或者對比循環相同周次後電池剩餘容量，以此表徵測試電池循環性能。此外，電池的測試環境對其充放電性能有一定的影響。

5.3 實驗儀器介紹

現階段國內外相關單位使用的電池測試系統包括Arbin公司的電池測試系統、新威公司的電池測試系統、藍電公司的系列電池測試系統以及MACCOR公司的電池測試系統等，見表1。此外拜特電池測試系統和Bitrode電池測試系統則多用於大容量電池、電池組等裝置的測試分析。一些電化學工作站也具有扣式鋰電池電化學性能測試功能，但由於通道設計、功能設計等原因，多用於電 池的循環伏安法測試分析、阻抗測試及短時間的充放電測試，電化學工作站儀器廠家包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner（IM6）、上海辰華等。

表 2 幾種電池測試系統主要性能對比

在實驗室鋰電池的測試過程中，還經常要用到防爆箱和恆溫箱（圖15）。

實驗室用電池防爆箱多用於大容量電池的測試，在研究扣式電池一些特殊性能測試的時候也會用到，如高倍率、高溫性能測試等。

實驗室用恆溫箱溫控多為25 ℃，且實際溫度與設定溫度間的溫差精度不超過1 ℃。在電池的高低溫性能測試中，最低溫度可達到70 ℃，最高溫度可達150 ℃。考慮到寬溫度範圍的恆溫箱價格較貴，且應用較為集中，因此建議多台恆溫箱設定不同溫度集中測試使用，即同一種驗證材料組裝多支扣式電池分別測試常溫及高低溫性能，實驗室測試常用溫度為25 ℃、55 ℃和80 ℃（圖16）。在選擇恆溫箱時，儘量採用專門用於電池測試的恆溫箱，此類恆溫箱含有專業的絕緣絕熱口用於連接電池測試導線。

電池在連接測試夾具時，需使用絕緣鑷子，且測試電池需整齊置於防爆箱或恆溫箱內，設定測試溫度，待溫度達到設定溫度後開啟電池測試程序，測試過程中建議貼標籤注釋測試信息（圖 17）。

5.4 充放電測試常規實驗流程

將測試電池安裝在測試儀器上，置於（25±1）℃ 測試環境中。設置以下程序：靜置10min；以1.0C電流恆流充電至4.2 V，然後恆壓充電至電流下降至0.05C，充電停止；靜置5 min；然後以1.0C 電流恆流放電至3.0V；重複上述充放電步驟5～10次。

上述測試參數為常規全電池測試參數，一般正極材料/金屬鋰扣式電池的電壓範圍為3.0～4.3V，負極 材料/金屬鋰扣式電池的電壓範圍為0.005～1.0V，特殊高電壓正極材料（如高電壓鈷酸鋰、尖晶石鎳錳酸 鋰、富鋰錳基層狀氧化物等材料）或其它正極材料（如磷酸鐵鋰材料）可依據電極材料特性和電解液、固態電解質耐受氧化電壓進行電壓範圍調整，其它參數不變。負極材料/金屬鋰扣式電池以及無鋰正極材料（如MnO2等）/金屬鋰扣式電池在測試時首先放電至最低電壓窗口，然後進行充電。需要注意的是，目前在許多文章中的負極材料測試範圍為 0.005～3.0V，而在全電池測試過程中，一般能夠採用的電壓範圍對應於負極半電池測試實際上不超過1.0V，例如對於石墨或者矽基負極材料，可用的電壓範圍為0.005～0.8V，對於鈦酸鋰這種負極材料，可用的電壓範圍為1.2～1.9V。因此對於某些文章中在寬電壓範圍內獲得的高容量和高首次庫侖效率，其在全電池中並不能發揮出來，實際意義並不大。

針對軟碳或硬碳負極材料，或者目前正在開發的複合金屬鋰負極材料，放電截止電壓可以更低，如0mV甚至50mV，具體情況需要具體分析。建議多數負極材料的半電池測試控制電壓範圍在0.005～1.0V，超過這個電壓範圍，在結果的陳述及應用前景的描述上需要特別聲明，以免誇大結果。

測試電池材料實際容量的時候，儘量使用小倍率進行充放電，以減小極化產生的容量誤差，得到電池的真實容量，一般選擇 0.1C 的倍率進行測試。

操作人員在測試儀器上裝卸扣式電池時需佩戴絕緣手套及口罩和防護眼鏡；由於測試通道較多，需對測試電池、測試通道進行特殊標記，並在相關儀器前貼醒目標籤注釋以防他人誤操作。

5.5 充放電循環測試常規實驗流程

在對電池的循環性進行測試時，可在上述充放電測試的基礎上，增加循環次數，對比相同循環次數後的容量保持率。或重複充放電循環，當放電容量連續兩次低於初始放電容量的80%時，確定此時的循環周數。

5.6 高低溫測試常規實驗流程

鋰離子電池高低溫性能測試中，高溫性能測試一般設置為45 ℃、55℃、80℃或更高溫度，低溫性能測試一般設置為0 ℃、-10℃、-20℃、-30℃或-40℃，測試流程同2、3、4 節內容。測試數據需要與室溫的數據進行對比，因此在高低溫測試之前需進行常溫的充放電測試。而在進行放電效率測試的時候，建議採用室溫（25±1）℃下進行恆流-恆壓（CC-CV）模式充電至100% SOC，在不同溫度下靜置30min後進行恆流放電（DC）。

扣式電池基本數據分析

6.1 電壓分析

組裝的鋰離子電池的開路電壓是指外電路沒有電流通過時的正負極電位差，可通過萬用表（精確度不低於0.1 mV，建議採用高內阻抗的專用電壓表防止自放電）直接測量，或連接至電池測試系統後直接讀取數值。該值僅為組裝電池後的初始開路電壓，全SOC下的開路電壓需通過恆電流間歇滴定（GITT）方法測得，將在後續文章中介紹。工作電壓則是指外電路有電流通過時正負極即時電位差，可直接體現在電池測試系統數據中。工作電壓U=E0±IRi，式中，E0為熱力學平衡電壓，Ri為扣式電池內部或接觸存在的某一種電阻，如某一結構組元的歐姆電阻、電荷轉移阻抗、擴散阻抗，I為測試電流。工作電壓與電流大小有關。

放電平均電壓分析則需要對曲線進行公式處理，即

式中，Qmax為曲線中的放電容量，E為放電曲線縱坐標電壓。

6.2 容量分析

電池容量是鋰離子電池性能的重要性能指標之一，它表示在一定條件下鋰離子電池儲存的電量，通常以A·h（安時）或mA·h（毫安時）為單位（1 A·h=1000 mA·h），鋰離子電池容量參數的獲取主要採用的方法是在電池由100% SOC 放電至0% SOC時（即在測試電壓範圍內），電流對時間積分，即

式中，Q為電池容量（A·h），I為電流（A），t為測試時間（h）。1毫安時相當於3.6庫侖。一般情況下，容量數據可在測試系統軟體中直接讀取。

對於測試的電池材料來說，容量分析一般需要確定3 個數據：首次充電容量、首次放電容量（正極材料）和可逆容量。

①首次充電容量即為鋰離子電池首次充電結束時的充電容量；

②首次放電容量即為鋰離子電池首次放電結束時的放電容量；

③可逆容量則為電池循環穩定後的容量值（常溫下測試值又稱額定容量），一般選取第3～5周的放電容量，有時可能需要選取10周以後的放電容量。

在實際應用中，對測試材料或極片的克容量、面容量及體積容量的分析更具有參考價值。如克容量即單位活性物質質量的放電容量，C=Q/m；面容量即單位測試極片面積的放電容量，C=Q/S；體積容量即單位極片體積的放電容量，C=Q/V。式中，C為放電比容量mA·h/g（毫安時每克）、mA·h/cm2（毫安時每平方厘米）或mA·h/cm3（毫安時每立方厘米），Q為放電容量mA·h（毫安時），m為活性材料的質量g（克），S為測試極片面積cm2（平方厘米），V為測試極片的體積cm3（立方厘米）。克容量參數用於對比測試材料的性能更加直觀，而面容量和體積容量對於測試材料的實際應用，正負極容量匹配時則更具有參考價值。建議發表文章時同時提供3種比容量的信息。

扣式電池數據也可以評價正極活性材料的能量密度（W），指的是單位質量的正極活性材料所能夠存儲和釋放的能量，W=EQ/m，即放電平均電壓與克容量的乘積，常用單位為W·h/kg（常稱為比能量），也包括體積能量密度W·h/L。一般電芯中正極活性物質占的質量比為30%～50%，具體比例取決於正極材料的壓實密度和真實密度。因此，根據正極活性質的能量密度，也可以粗略估算相應的全電池的能量密度，這對於沒有條件研製全電池，但又希望評價正極材料和預測電芯能量密度具有參考意義。

6.3 充放電曲線分析

充放電曲線體現的是電池材料的充放電行為，對扣式電池充放電曲線進行分析對理解材料的性能及電化學行為有著重要意義，尤其對半電池充放電曲線的分析，能夠針對性地分析某一種材料的特性行為。充放電曲線有幾種不同的展現形式，如較為常見的「交叉式」曲線（圖18）以及「循環式」曲線（圖19）。

從扣式電池充放電曲線中可讀取大量數據信息，下面對部分數據的讀取和分析做簡單介紹。

正負極材料內鋰離子的脫嵌對應了充放電曲線上的平台或斜坡區域（以及循環伏安曲線和微分差容曲線中的氧化還原峰），根據每個平台區域的變化可分析研究材料的電化學反應行為。通常充電和放電的電位平台或斜坡的數量相同，若充電和放電的總容量相同，但對應的每個平台/斜坡的容量有差異，則說明材料嵌脫鋰的熱力學反應路徑或嵌脫鋰動力學特性有顯著差異。

圖20為典型的石墨負極材料的充放電曲線。充放電曲線顯示，石墨/金屬鋰片半電池充放電時，石墨電極充放電過程中分別存在0.08/0.1 V，0.11/0.14 V以及0.2/0.22 V處3個對應明顯的充放電平台，分別對應了3個鋰石墨層間化合物的兩相轉變過程。平台的起始點，對應相變的開始，平台的終止點，對應相變的結束點，平台行為意味著主體材料的電化學勢與離子在材料中的占有率無關。充放電曲線中的斜坡一般對應於固溶體反應或者電容行為，斜坡行為意味著主體材料的電化學勢與離子在材料中的占有率直接關聯。因此，通過充放電曲線可以初步判斷材料在反應過程中有幾次相變反應，是兩相轉變反應還是固溶體、吸脫附電容行為，這可以輔助指導X射線衍射等結構研究。在同一個SOC下，小電流充放電時，充電電位平台與放電電位平台電壓的中間值近似為熱力學平衡電位，用循環伏安曲線或微分差容曲線對應的氧化峰與還原峰的中間電位值更容易準確估算。全SOC下準確的熱力學平衡電位的測量建議採用低電流密度下的GITT方法。

在全電池放電行為中，電池的放電電壓為正極材料的嵌鋰電壓減去負極材料的脫鋰電壓，因此負極的平均脫鋰平台越高，則全電池的放電電壓越低。當負極材料的脫鋰平台超過2.0 V 時，全電池電壓已經很低了，此時測到的容量對全電池匹配和實際應用的意義不大，因為每種電器應用都有允許的下限電壓範圍，如一般用於消費電子電器的鋰離子電池的放電電壓截止到2.7 V。

能量效率即同一循環周次的放電能量與充電能量的比值，可以表示為η=（EDQD）（/ ECQC）×100%。在充放電曲線中，可近似於充放電曲線的積分面積差，該值的變化在「循環式」充放電曲線中更容易讀取。典型的鋰離子電池的能量效率在92%～95%，鋰硫電池和鋰空氣電池的能量效率則分別在80%和70%左右。

對前5 周充放電循環數據進行分析，可獲得首周放電容量、首周充電容量、首周庫侖效率、可逆容量、極化電壓和電阻大小、能量效率等信息。

首周充放電數據最為重要。首周放電容量可在曲線中直接讀取，用於分析首周循環後極片實際釋放容量。電池的首周充放電平台奠定了後續循環的基礎，多數材料的結構是否穩定也是由第1周產生的，平台長短也影響著鋰離子的嵌入脫出效率。第2周及後面的充放電容量也基本都是在首周放電容量的基礎上漲落。庫侖效率（即充放電效率）是指同一循環過程中電池放電容量與充電容量之比，即η=QD/QC×100%，首周庫侖效率（即首效）則是電池在第1 周的放電容量與充電容量的比值（正極材料η=QD1/QC1×100%）。多款電池測試系統均可直接輸出該值，用於分析首周循環過程中活化及其它反應消耗的極片容量的情況，並且可直接表徵材料結構的穩定性和動力學性能的優劣。

首次放電容量及首周庫侖效率可直接影響全電池的設計與材料的評價。前5周的庫侖效率一般會呈現先增後降或小幅波動的趨勢，這是由於在前幾周的循環過程中存在SEI膜生長、材料活化等反應引起活性鋰源的不可逆損失。以新鮮負極材料的半電池為例，其首次放電容量則高於首次充電容量，即負極首次嵌鋰量要多於負極首次脫鋰量。如果測試結果相反，則可能是由於非新鮮極片或電池短路等因素導致。

最高容量，即測試電池充放電過程中表現出來的容量最高數值，一般出現在前五周的充放電過程中。有些負極材料的測試結果顯示可逆容量隨著循環次數增加而持續增長，這與材料的持續氧化、緩慢活化、SEI膜持續增長、其它材料逐漸參與氧化反應有關。這類負極材料對於鋰離子全電池的設計和應用來說是缺點而不是優點。一般而言，電池測量的可逆容量會在前5周趨於相對穩定，庫侖效率不能很快達到99.95%意味著界面或材料結構一直不穩定，這樣的材料用於全電池測試，相對於半電池，循環性會差很多。

6.4 極化情況分析

在鋰電池的充放電過程中，極化是不可避免的，尤其在高倍率充放電過程中。研究由極化引起的容量變化以及根據充放電曲線分析極化情況十分必要，相對於通過GITT、恆電壓間歇滴定（PITT）或電化學交流阻抗譜（EIS）分析電極過程動力學，通過充放電曲線獲取的動力學信息更加直觀。通常較低充放電倍率（如0.05C、0.02C、0.01C或更低倍率，取決於材料）下測得的容量可基本忽視極化引起的容量變化。某倍率下測試得到的容量值與上述低倍率下測試的容量值差則可視為極化引起的容量變化。在恆流-恆壓（CC-CV）充電恆流放電曲線中，可通過充電曲線中恆流充電容量與恆壓充電容量所占總容量的比值來表徵極化情況。恆流充電容量與總充電容量比值越低或恆壓充電容量與總充電容量比值越高，則極化越大。此外，充放電曲線中充放電平台電壓差值增加也可反映出電極極化的增加，該差值在「循環式」充放電曲線中更易讀取。可通過在該曲線的充放電曲線的縱軸差距進行初步認識，如圖21中，富鋰正極材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）的充放電曲線，對比第1 周循環曲線，第2周循環曲線的縱軸差距較小，表明極化下降。此外，該值也可由微分差容曲線中嵌脫鋰峰位的電位差進行表徵，電位差變大，極化則增加。

6.5 微分曲線分析

在對電池充放電曲線進行分析的過程中，為了方便充放電曲線的研究，將該曲線進行微分處理，將平台區域轉換為峰曲線。通常使用的方法是微分差容曲線（incremental capacity，dQ/dV vs.V）和微分電壓曲線（differential voltage，dV/dQ vs.Q）對充放電曲線進行分析。

其中微分差容曲線，簡稱IC曲線（圖22），應用較為廣泛，但由於存在電壓平台（即dV=0），數據處理需謹慎。曲線中的氧化峰和還原峰對應了充放電曲線中的充電平台和放電平台，並且與循環伏安曲線中的氧化峰和還原峰有著對應關係。根據該曲線中峰位，參考文獻可對氧化還原反應進行確認和判斷。將同循環周次充放電曲線都進行微分處理並進行峰位比對展現，對應氧化還原峰電位的中間值則為熱力學平衡電位。此外，峰位的移動和衰減也具有一定的對比價值。如峰位的移動則表明該電位附近的充放電平台電位出現移動，與材料的結構變化引起鋰的嵌入脫出難易有關；某峰位的強度變化可表徵該電位的充放電平台長短變化。

微分電壓曲線，簡稱dV曲線，可根據文獻或實驗對比曲線峰位歸屬，並根據峰位的橫坐標來初步判斷不同材料或平台的容量發揮情況，該曲線的數據處理較為方便，且多用於混合材料極片的分析中。圖23所示為矽碳混合材料/金屬鋰片半電池放電過程的dV 曲線，通過對比分析可以得出，在第三周循環放電容量中，矽材料發揮容量為293 mA·h，石墨發揮容量為697.6 mA·h，並且矽和石墨發揮容量隨循環均有所降低。需要說明的是，微分電容和微分電壓曲線的數據是否光滑、與充放電儀的電壓測量精度、電流控制精度、測試時的溫度穩定性、採樣點的密度都有影響。

測試過程常見問題解析

電池組裝後，在測試時會出現一些問題，以下是可能遇到的問題以及部分解釋

7.1 開路電壓低的原因

①極片的毛刺穿破隔膜，造成電池短路；

②電池裝配過程中，正負極偏移，導致短路；

③壓電池步驟出錯，導致電池裝配不緊密，電池正負極外殼與正負極片虛接，造成短路。

7.2 電化學阻抗大

①導電劑添加量不夠；

②隔膜的孔隙率小，使得電解液中的鋰離子不能能夠順利通過；

③電解液分解，其中的鋰鹽減少。

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