实验三 锂离子模拟电池的制作与测试.docxVIP

实验三锂离子模拟电池的制作与测试

1.【实验目的】

熟悉、掌握锂离子电池的结构及充放电原理；

熟悉、掌握锂离子正极材料的制备过程及工艺；

13

熟悉、掌握锂离子电池的封装工艺及模拟电池测试方法。

【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”（RockingChairBattery）。锂离子电池充放电原理和结构示意图如下图：

锂离子电池的化学表达式为：

(-)Cn|LiPF

其电池反应为：

-EC+DMC|LiMxOy(+)

6

LiMO+nC?????Li MxO +LiC

x y 1-x y x n

下面以尖晶石型LixMn2O4为正极材料，富锂层状石墨为负极，叙述锂离子的充放电过程：

正极

＋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＋被还原为Mn3，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，电极反应为：

＋

14

x24xy24

LiMnOyLiyeLiMnO

????????????

?

放电

充电

负极

放电时，负极石墨层间的锂离子脱出，同时电子通过外部电子线路释放，充电时，从外部电子线路获取电子，锂离子嵌入，电极反应为：

zzyLiCLiCyLiye?

???????????

放电

充电

锂离子在电解液中，通过微孔薄膜往返迁移，然后嵌入到电极中。电子在外部线路中

转移而释放或消耗能量。从锂离子电池的充放电过程可以看到，锂的化合价态始终保持＋1价，无价态转变，所以这种二次电池叫“锂离子电池”。

本实验以高温固相法制备的尖晶石型LiMn2O4作为正极材料，纯锂片作为负极，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。

【仪器与试剂】

仪器设备

Autolab电化学工作站、BTS-5V1mA新威电池测试系统、MikrounaUniversal（2440/750）手套箱、DC-2型搅拌器、梅特勒-托利多AL104电子分析天平、DZF-6020真空干燥箱、KQ-100DE数控超声波清洗器、上实101A-1B电热鼓风干燥箱、雷磁PHS-3C型pH计、晶

科T-06切片机、上海弗安FA-1000自动涂布机、中兴伟业SX2系列高温箱式电阻炉、南大天尊ND7球磨机、长沙天创GQM-8-0.05/1罐磨机、MSK-110封口机等

试剂材料

碳酸锂、四氧化三锰、乙醇、电解液（1MLiPF6溶于体积比EC:DEC:EMC=1:1:1的溶液）、锂片、乙炔黑、PVDF、2222222氮甲基吡咯烷酮、去离子水等

【实验步骤】

1、正极活性物质的制备

目前，高温固相法是合成尖晶石型LiMn2O4正极材料最常用的方法。首先将锂的前驱体(如LiOH、Li2CO3、LiNO3等)和锰的前驱体(如各种形态的MnO2、Mn2O3、MnCO3等)

混合，然后在600℃~900℃下煅烧数小时，发生高温固相反应，即可得到LiMn2O4正极材料。反应方程式如下：

15

2322422

LiCO+4MnO?2LiMnO+CO+0.5O

LiCO+2MnO+0.5O?2LiMnO+CO

23232242

由于Li、Mn前驱体粉末接触不充分，造成了产物结构的不均匀性，粒度分布范围宽，

所得产物的电化学性能较差。因此可通过多步固相合成法，采用分段升温、多次球磨的方法，来改善材料的结晶程度，提高材料的电化学性能。也可通过掺杂离子来改善活性物质的电化学性能，离子掺杂主要包括阳离子掺杂（如Li、Cr、Al、Mg、Ti、Zn、Fe、Cu以及稀土元素等离子取代部分Mn3+）、阴离子掺杂（如F、Cl、S等取代O）和阴阳离子复合掺杂等。

正极活性物质的制备流程图如下：

Li2CO3Mn3O4

依计量比混合充分球磨2h（湿混）

放入马弗炉中，升温至

400℃恒温4h

（第一次煅烧,升温速率

5℃/min）

掺杂剂

将混合液烘干12h，并将干粉充分混合

继续升温至750℃恒温4h

（第二次煅烧,升温速率

5℃/min）

正极活性物质的制备流程图

2、正、负极片的制备a、正极片的制备

正极活性物质、导电剂乙