鋰離子扣式電池設計、制作與測試實訓中的問題探索

（湖北工業大學理學院 湖北·武漢 430068）

能源是國民經濟的基本支撐，是人類賴以生存的五大要素之一。能源安全直接影響到國家的安全、社會的穩定及國民的生活水平。但是，令人擔憂的是在現有的能源利用中，不可再生的化石能源占據了世界上90%的能源。科學計算結果發現，已探明的主要的三大化石能源石油、煤炭和天然氣的儲量分別為1400億噸、10316億噸和152億立方米，按現在的開采利用水平分別還能被開采30年、200年和60年。近年來，為了緩解能源日益枯竭以及燃燒化石能源引起的環境危機，多種新型的、綠色無污染的清潔能源被廣泛開發利用，比如風能、太陽能、潮汐能等。但是這些清潔的自然能源在運用的過程中會受到時間和空間的限制。例如對風能的利用，受限于風向的不可捉摸，風速的時大時小，這對風能的規模性利用造成了不利的影響。于是，作為非常有效的能量轉換和存儲手段的化學電源，給了人們更多利用自然能源的希望。在經歷了鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池等化學電源后，鋰離子電池因其工作電壓高、能量密度大、自放電率低、對環境友好且無記憶效應等特征而受到廣泛重視和利用。在當今社會生產和生活中，由鋰離子電池提供能量的器件與設備種類繁多，比如給我們帶來極大便利的手機、筆記本電腦、電動自行車及電動車等等。所以，了解鋰離子電池的相關基礎知識，熟悉鋰離子電池的制作流程及測試評價體系，對本專業學生從事相關領域的工作打下堅實的基礎。

1 鋰離子電池的工作原理

圖1：鋰離子電池工作原理示意圖（LiCoO2/電解質/石墨)

如圖1所示，以商業化的鋰離子電池為例，詳細分析鋰離子電池的充放電原理。在此種電池中，以層狀結構的LiCoO2為正極，石墨為負極，LiPF6為電解質。在電池進行充電過程時，在外部電場的作用下，鋰離子從正極材料LiCoO2中層狀排列的鈷氧八面體的間隙中脫出，通過電解質的傳輸，跨過隔膜，進入作為負極材料的石墨的層間，與此同時，LiCoO2中的Co3+氧化成Co4+，向外釋放出一個電子，在這個過程中外界的電能轉化成為化學能存儲在電池中。在放電過程中，鋰離子從石墨負極的層間脫出，通過電解質，重新插入到LiCoO2的八面體間，Co4+還原成Co3+，與此同時負極向外放出一個電子，在外電路中形成電流，將儲存的化學能轉化成為電能。其電極反應如下所示：

2 鋰離子扣式電池設計制作測試步驟

如圖2所示，鋰離子扣式電池的制作測試步驟比較復雜，主要分為以下幾個步驟：電池設計、正/負極片的涂覆、正負極片的輥壓、正/負極片的剪切、電池的組裝、電池的封口、電池的測試。

圖2：扣式電池設計、制作及測試過程

3 鋰離子扣式電池設計制作測試過程中易出現的問題

在上述的整個過程中，由于學生的理論知識不扎實以及實操過程中技術不夠嫻熟，容易出現以下問題：

（1）由于理論知識不夠扎實，在設計環節，容易出現設計的正負極片容量不匹配的問題，造成電池整體容量發揮不理想，甚至引發安全問題。在設計鋰離子全電池時，從理論上來說，正/負極極片能夠發揮出來的容量應該的相等的，這樣才能保證從正極材料脫出的鋰離子可以全部嵌入作為負極材料的石墨的碳原子層間。假設正/負極容量不匹配，如果正極容量過大，在相同的電壓下，正極脫出的鋰離子沒有辦法全部嵌入負極，使得部分鋰離子會沉積在負極極片的表層，形成析鋰現象，使得電池循環性能變差，更嚴重的會造成電池內部短路，引發電池安全問題。一般電池中負極都會略多于正極，過量比例在0%-20%不等，過量多少的關鍵在于負極材料的質量比容量和電池類型的選擇。但是如果負極容量過量過大，那么在形成SEI膜時所需要消耗的鋰離子就越多，電池的不可逆容量就越多，對電池整體容量的發揮不利。 所以在開始電池設計前熟練掌握基礎知識，比如容量匹配。

（2）在正/負極極片的涂覆過程中，極片表面容易產生氣泡。我們將調配的正負極材料涂覆到集流體上的過程中，必須保持表面的平整，這樣才能保證在后續的烘干輥壓過程中極片不開裂，確保能量釋放的連續性。

（3）在電池的裝配過程中，由于我們需要在手套箱里面組裝電池，許多操作不熟練，造成正/負極極片錯位，這樣極易造成電池起始電壓以及放電效率低，甚至短路。這一步要求學生操作時盡可能地精準。

（4）在電池的測試過程中，學生容易弄混極片質量和活性物質質量兩個概念，造成設置測試條件時出現誤差，從而得到錯誤的測試結果。

4 總結

通過實訓，學生了解了鋰離子電池的一些基礎知識，對與之相關的電子材料理論知識加深了理解。熟悉了鋰離子電池設計制作及封裝測試的流程與技能，掌握了測試與設計開發過程中相關科研生產測試設備的應用。提高了遇到問題時知道如何分析和如何解決問題的能力，同時提高了學生基本的科研素養和動手實踐能力。看到自己組裝的電池能點亮LED燈，學生備受鼓舞，激發了學生進一步的學習興趣。