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实验 锂离子电池电极制备

实验1.3 锂离子电池电极制备

一. 实验目的

1. 了解锂离子电池电极的构成

2. 了解锂离子电池电极的充放电机理

3. 掌握锂离子电池电极制备的关键技术

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。正极通常采用过渡金属氧化物LiCoO 2、LiNiO 2、LiMn 2O 4或LiFePO 4等高氧化还原电势的材料,负极采用石墨、碳、或者Li 4Ti 5O 12、LiTi 2(PO 4)3等氧化还原电势较低的材料。电解质为可分为有机电解质和水相电解质两类,有机电解质以LiPF 6、LiAsF 6或LiClO 4等锂盐,混合碳酸酯作为溶剂;水相以硫酸锂、硝酸锂、LiOH 溶液作为电解质。充放电过程中,Li +在正负极之间往返嵌入或脱出,被形象地称为“摇椅式”(rock chair )电池。

实际上,电化学活性材料通常因为导电性差,需要添加石墨导电剂,与其混合,并以聚合物分子作为粘合剂,将活性物质、导电剂均匀混合涂布成薄膜,作为锂离子电池的电极片。以西门子的电池电极片制备工序为例,介绍电极片的制备流程。

实验 锂离子电池电极制备

实验 锂离子电池电极制备

图1.4.1 西门子锂离子电池电极制备工艺示意图

1. 混料

将负极材料(碳为主)与导电剂和粘结剂,加极性溶剂经混料机混合成均一的浆料。目标最大可能分散,注意无活性物质溶解或结构破坏。正极材料以过渡金属锂氧化物为活性物质。

2. 涂布

正极:铝箔;负极:铜箔。涂布厚度达到150-300微米,注意厚度偏差1-2微米以内。

3. 压片

混涂

干切

在干燥流水线上逐步升温至150℃干燥除去溶剂,减少压片过程中产生的气泡,避免极片产生裂缝。

4.干燥

可在真空干燥箱中进一步干燥除去极片中的水分,达到水分低于0.5%.

5.切片

通过高精度切割技术,有时采用激光切割达到高精度尺寸;避免产生毛刺、碎屑。

实验 锂离子电池电极制备

图1.4.2 电极片制备流程图

三.仪器设备

鼓风干燥箱、真空干燥箱、超声清洗机、电子天平、剪刀、红外灯

四.实验原料

电极材料LiTi2(PO4)3、导电剂super P, 粘结剂聚偏氟乙烯PVDF, 溶剂NMP, 不锈钢片,玛瑙研钵

五.实验步骤

以得到高导电性的电极片为目的。

1.准备集流片:剪取约3×3 cm2的不锈钢片,依次在去离子水和乙醇中超声波清洗

10 min,取出50~60 ℃干燥10分钟,并测量质量待用。

2.按质量比 80:10:10 计算电极活性材料、导电碳黑以及PVDF的质量;

3.称量电极材料进行研磨20分钟;称量导电炭黑、PVDF加到上述电极材料中,继

续研磨30分钟混合;

4.并加少量NMP溶剂作为分散剂,在玛瑙研钵中研磨20分钟调匀,得到黑色墨汁

状混合物。

5.然后在不锈钢片上成膜,

6.将60度下干燥的电极膜在烘箱箱中控温125 ℃,干燥24小时,

六.注意事项

1.电极片须烘干,不含有机溶剂、水分含量足够低。

2.电极浆料要求能够涂布均匀、平整。

七.实验报告要求

1.实验目的、原理、步骤

2.得到电极片上的活性物质的量:(1)需计算出电极片单位面积上的包含粘

合剂、导电剂和LiTi2(PO4)3的总质量,(2)每片电极片上活性物质

LiTi2(PO4)3的净质量。

3.预估理论容量计算方法:计算出LiTi2(PO4)3的理论充放电容量(每个分子

有2电子可转移,容量以mAh/g表示)。

八.思考题

1.浆料混合、制备电极片有什么需要注意事项?

2.讨论一下研磨混合时添加次序的影响。