非水系电极加工及锂离子纽扣电池的组装

本实验演示的总体目标是提供锂离子电池电极制备与纽扣电池组装的逐步操作指南，以及可在学术实验室环境中进行的电化学分析与表征方法。本演示强调了电化学处理对锂离子电池性能及其电化学特性的重要影响。其中一个关键要点是，我们旨在强调蒸发过程在锂离子电池电极处理与制备的干燥步骤中的重要性。

我们希望本演示能为正在尝试开展电化学工程，特别是ADR家族储能项目的学生等相关人员提供逐步指导。开始此操作时，使用切纸刀裁剪一张尺寸为4.5英寸×12英寸、厚度为15微米的铝箔片。在一块洁净的塑料板表面喷洒丙酮，然后将铝箔片放置于该板表面。

接下来，在箔片表面喷洒足量的丙酮，使用百洁布以小半圆运动方式擦洗整个表面。在表面再喷一些丙酮，然后用纸巾擦去残留物。用去离子水冲洗铝片的浇铸面。

将铝片翻转，先在光亮面重复上述操作，再在无光面重复一次。用异丙醇冲洗后，将清洁后的铝片夹在两张纸巾之间。然后将纸巾和铝片置于两块平板之间，用重物压紧，持续约20分钟。

随后，将 0.875 克的锂锰钴氧化物（NMC）和 0.25 克的炭黑放入玛瑙研钵中，用研杵轻轻混合，不要研磨。当混合物开始形成时，在研钵中手动研磨 3 至 5 分钟，直至肉眼观察到均匀的粉末。

使用一张白纸将混合粉末转移至一次性混合管中。然后，向粉末中加入16个玻璃珠和5.5毫升1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）。将一次性管置于管驱动站上并固定锁紧。

打开驱动装置，缓慢加速至最高速度，使管内物质混合15分钟。混合完成后，直接向管中加入1.25克10%聚偏二氟乙烯/NMP溶液。将管重新放回驱动装置，继续混合8分钟。

接下来，将一层异丙醇涂在涂布器的表面，然后将干燥的铝基底（光面朝下）放置在涂布器表面。用折叠的纸巾压出多余的异丙醇，直至所有褶皱和溶剂均被去除。从管驱动装置中取出混合管后，将浆料倾倒至基底表面，形成一条长约5至7.5厘米、距离基底顶部约2.5厘米的条状沉积。

然后，将涂布速度设置为20毫米每秒，并启动涂布器的涂布臂。涂布完成后，使用一张薄 cardboard 将涂布好的电极从涂布器表面轻轻揭起，以确保薄膜表面无褶皱产生。将电极膜在室温下静置干燥16小时后，再于烘箱中在70摄氏度下干燥约3小时。

此时，将干燥的电极片放置在先前已清洁的铝金属片上。将一个1/2英寸的打孔器轻轻放在表面均匀的区域。缓慢对打孔器施加压力，并沿打孔器边缘均匀滚动施压，以确保切口整齐。

使用洁净的塑料镊子将切割好的电极从片材上取下，并将其放入标记好的小瓶中，确保电极表面朝外。随后，将电极置于真空烘箱中，在120摄氏度、负0.1兆帕条件下进一步干燥12小时，以去除任何残留的水分。从烘箱中取出电极后，应在0.0001克精度内称重。

在手套箱中，将纽扣电池外壳放入一个小的称量舟内，并将正极置于纽扣电池外壳的中央。在电极中心滴加一到两滴电解液，再在电池外壳边缘相对的两侧各滴加一滴。将一片3/4英寸的隔膜放置在电极表面。

然后，将垫圈放入外壳中，平的一面朝下，带凸缘的一面朝上。在电池中心滴加两到三滴电解液，将制备好的对电极置于中心位置，锂面朝下。将波形弹簧放置在居中的对电极上方。

随后，用电解液将电池充满至边缘，直至形成覆盖大部分波形弹簧表面的弯曲凸面弯月面。使用镊子将纽扣电池上盖垂直居中放置在电池上方，轻轻下压上盖，直至其嵌入垫圈的凹槽中。

将电池转移至压接机中，并确保电池位于压接模具的凹槽中央。将电池压接至约 6.2 megaPascal 的压力，然后释放。清除任何溢出的电解液。

操作完成后，将电池从手套箱中取出。取出后，清理多余的电解液并对电池进行标记。此时，将清理干净的电池连接至电池循环仪。

通过测量开路电位确保电极终端正确连接。根据测得的电极质量为0.0090克，铝盘质量为0.0054克，以及额定容量为155毫安时/克，确定所需电流。接下来，设置电池循环仪的程序，使电池在4.2伏和2.8伏的上下限电压之间进行充放电。

以 C/10 的速率对电池进行四次循环。然后，以 C/10 的速率对电池充电一次。第五次 C/10 充电结束后，静置一小时，随后对电池进行电化学阻抗谱（EIS）测试。

然后，将电池重新放回循环仪，以 C 倍率放电 10 次。再次进行电化学阻抗谱（EIS）分析，并将电池重新放回循环仪后，分别以 C/5、C、2C、5C 和 10C 的倍率各循环五次，随后进行 100 次 1C 循环。通过将电池的毫安时容量除以正极中活性物质的质量，计算各倍率下的比容量。

通过将最后五个1C循环的平均比容量除以最初五个1C循环的平均比容量，计算容量保持率。涂覆良好的电极片应外观均匀，并牢固附着在集流体上。电极片出现剥落现象通常是由于蚀刻不良或NMP用量过少所致。

而过多的NMP会导致更高程度的孔隙率。最后，干燥过程中材料积聚会形成不均匀的表面。当电池密封不当时，暴露于空气中会使锂发生膨胀，从而导致电池破裂开裂。

电极表面的SEM成像揭示了阴极的复杂性。较大的颗粒是活性材料，其余物质为聚偏二氟乙烯和炭黑。此处展示了干燥过快和适当干燥的样品的典型循环结果。

电池的比能量可通过放电曲线下的面积来确定。EIS 数据中尾部斜率反映了由扩散引起的电阻，半圆代表由电荷转移电阻引起的阻抗数量。快速干燥的薄膜具有更大的半径，表明其电荷转移电阻更高。

涂布厚度、浆料黏度与组分以及压延程度均会直接影响电极片的孔隙率和厚度。较薄的电极片可缩短扩散距离，而孔隙率则可优化以实现更高效的传质。

一旦掌握，该方法若操作得当可在24小时内完成。在进行此操作时，必须佩戴安全手套，并保持电极片清洁，随后在手套箱中完成最终的电池组装。对组装好的纽扣电池，可常规进行电化学测试，如充放电循环、循环伏安法和电化学阻抗谱，以在不同循环条件和环境条件下对电池的行为和性能特征进行分类分析。

本实验探索突显了电化学处理对电池性能和电化学特性的重要影响。在观看演示视频后，您应充分理解实验室中锂离子电池电极制备、扣式电池组装以及后续电化学测试的关键步骤。请务必注意，电解液极易与氧气和水发生反应，因此扣式电池的组装必须在手套箱中进行。