電池組裝教程大全?作者：V 來源：清新電源對于初入實驗室的小夥伴，一定也有和小編類似的體會：制備了十天半個月的材料，卻由于在塗布和制漿等過程中出現失誤或者不熟悉如何組裝扣式電池嚴重影響的電池的性能，然後對原本可能性能不錯的材料産生懷疑，又回頭改進材料制備方式，最終事倍功半，接下來我們就來聊聊關于電池組裝教程大全?以下内容大家不妨參考一二希望能幫到您!

電池組裝教程大全

作者：V 來源：清新電源

對于初入實驗室的小夥伴，一定也有和小編類似的體會：制備了十天半個月的材料，卻由于在塗布和制漿等過程中出現失誤或者不熟悉如何組裝扣式電池嚴重影響的電池的性能，然後對原本可能性能不錯的材料産生懷疑，又回頭改進材料制備方式，最終事倍功半。

因此扣式電池的組裝是電池研究人員的必備技能。下面小編就和大家一起來學習如何組裝扣式電池。

實驗室锂離子扣式樣品電池，包括半電池（half cell，正極極片/金屬锂片、負極極片/金屬锂片）、全電池（正極極片/負極極片）以及對稱電池（正極極片/正極極片、負極極片/負極極片）。扣式電池由成套的扣式電池殼及内部組件構成，不鏽鋼電池殼電化學穩定性好、密封性良好、尺寸較小、組裝較為簡單、價格便宜、适用溫度為40～80℃，适合大量測試使用。

最近國内外企業開始研制高通量扣式電池自動組裝設備，用于電池關鍵材料的批量加速驗證和研發。一般的扣式電池殼型号有CR2032、CR2025、CR2016等，實驗室中常采用CR2032 型電池殼（即直徑為20 mm，厚度為3.2 mm）。扣式電池殼用後則報廢，需增加金屬回收環節以免浪費和污染環境。還有一種可重複使用的電池——Swagelok電池，又稱為模拟電池，也經常用于實驗室測試，其電池殼采用不鏽鋼外殼和聚四氟乙烯内膽，可重複使用。Swagelok型電池拆解便捷，适合用于電池拆解分析。但模拟電池相對成本較高，且組裝出一緻性較好的電池需要規範的訓練和一定經驗。

一套CR2032 型電池殼包括：負極殼，彈片，兩個墊片。組裝一個扣式電池的基本步驟包括：制漿、塗布、烘幹、裁片、組裝。下面進行詳細解釋。

1 極片的制備

實驗室用極片制備過程可分為混料和塗覆兩個步驟。其中混料工藝主要包括手工研磨法和機械混漿法，塗覆工藝則包括手工塗覆和機械塗覆。實驗室進行混料時，依據供料的多少來确定采用手工研磨法或機械混漿法，如活性材料的質量在0.1～5.0 g時建議采用手工研磨法，活性材料的質量超過5.0 g時，建議采用實驗室用混料機進行混料。實驗室中每次混漿量有限，常采用手工塗覆，當漿料足夠時可采用小型塗覆機。整個極片制作過程需要在幹燥環境下進行，所用材料、設備都需要保持幹燥。圖1為手工混料、手工塗覆方法制備極片過程，包括材料準備、活性材料和導電劑的稱取和研磨、加入黏結劑、漿料研磨、取出漿料手工塗布極片、極片烘烤等步驟。

（1）制漿 制漿過程需要用到活性物質、導電劑、粘結劑、溶劑、轉子、稱量瓶等。

活性物質：實驗室用正、負極材料（活性物質）可以采購，也可以自行制備，一般為粉末材料，顆粒尺寸不宜過大，便于均勻塗布，同時避免由于顆粒較大導緻測試結果受到材料動力學性質的限制較大以及造成的極片不均勻性問題。實驗室研究一般 最 大顆粒直徑（Dmax）不超過50 μm，工業應用一般Dmax不超過30 μm。較大顆粒、團聚體或者納米級别，需做研磨、過篩處理。

導電劑：常用的導電劑為碳基導電劑，包括乙炔黑（AB）、導電炭黑、Super P、350G 等導電材料。

粘結劑：常用粘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。

常用質量配比為 活性物質：導電劑：粘結劑=8:1:1（或8:1.5:0.5，可以根據材料适當調整，但一般來說，正極材料不低于75，導電劑和粘結劑不低于5）

溶劑：常采用 NMP（N-甲基吡咯烷酮）。

NMP和PVDF溶液的配制：配制NMP和PVDF的溶液，可以配制0.02 g/mL、0.025 g/mL和0.03 g/mL的三種，選擇合适自己材料的濃度使用。配制方法很簡單，隻需要将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：配制結束後，廣口瓶要通過封口膠密封，因為NMP容易吸水或者變質。其中要注意的是需先将粘結劑（如 PVDF）加入溶劑 NMP中，在 50℃以下攪拌至PVDF完全溶解。

（2）漿料的配置步驟：

圖1：機械混料、手工塗覆流程

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

第二步：稱取0.05 g導電劑Super P緩慢加入稱量瓶中，攪拌20 min。加入過程中盡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0.4 g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，以漿料粘稠狀态為準。

小貼士：何種漿料狀态為最好？

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挂壁即可。太稠可以加入一滴NMP繼續攪拌一會兒，一般一滴就足夠了。太稀可以将稱量瓶放入鼓風幹燥箱烘幹一會兒。

在混料過程中需将黏在壁上的材料處理并混入漿料中，防止因為比例不對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，并直接影響材料電化學性能發揮及對其的評價。

（3）極片的塗布

集流體的選擇锂離子電池極片的正、負極集流體分别為鋁箔和銅箔，如果選用單面光滑的箔材，建議在粗糙的一面上塗布，以增加集流體與材料之間的結合力。箔材的厚度沒有特殊要求，但對箔材的面密度均勻性有很高要求。如果是矽基負極材料，可以選用塗碳銅箔以提高黏附性，降低接觸電阻，增加測試結果的重現性，提高循環性能。

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闆和刮刀進行塗布。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，要盡可能的減少褶皺；

（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，特别需要注意的是，一般極片的面容量設為2～4 mA·h/cm²，最低不建議低于 1 mA·h/cm²，這樣的活性物質負載量與工業應用的更為接近，便于準确對标評價材料的倍率和低溫特性。個别情況下，可以超過這一負載量，例如針對厚電極的研究。低于這一面容量制作的極片，一方面，稱量誤差較大；此外，由于極片薄，動力學性能較好，體積變化較小，電解液相對遠遠過量，這樣有利于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于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并不能和大容量實際電池有較好的對應關系。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制作條件來對比，對于比較材料的性能差異也有一定意義。但不同極片制作條件下的動力學、循環性能數據對比，往往可靠性低，而實驗室手工制作的薄極片的一緻性往往很難保證。

小知識：正負極極片的制備流程相同，區别在于正極塗布在鋁箔上，負極塗布在在銅箔上，這是為什麼呢？

首先，兩者的導電性都相對較好，質地比較柔軟，價格也相對較低。

其次，鋁本身比較活潑，在低電位下，鋁會出現嵌锂，生成锂鋁合金，不宜作為負極的集流體。如果使用鋁箔作為負極的集流體，鋁會和锂形成合金，然後粉化，嚴重影響電池的壽命和性能。

最後，銅在高電位下容易氧化，不宜作為正極的集流體，銅表面的氧化層屬于半導體，電子導通，氧化層太厚時，阻抗會增加。同時锂不會與同在地點為下形成嵌锂合金。

2 極片幹燥條件、輥壓工藝、極片壓切與稱量、真空烘烤

a. 極片的幹燥

極片的幹燥一般需要考慮 3點，烘烤溫度、烘烤時間、烘烤環境，對于NMP的烘烤溫度需要 100℃以上，在能夠烘幹的前提下，盡量降低烘烤溫度，增加烘烤時間。對于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确定幹燥條件。

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

（1）幹燥NMP的溫度不需要太高，但由于溶劑太多，需要較多的熱量，所以幹燥時間較長；

（2）由于水的沸點是100℃，所以鼓風幹燥的溫度需要較高，但由于水分含量較少，幹燥時間可以縮短，在鼓風幹燥時，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℃。另外負極的幹燥溫度應低于正極，有時候出現銅箔氧化的現象；

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

（3）鼓風幹燥後，要經過真空幹燥，溫度一般設定為120℃，時間10小時左右。但不可以不經過鼓風幹燥直接進行真空幹燥，這樣操作會導緻NMP充滿于真空幹燥箱内，而使幹燥效果不好。不經過真空幹燥也是可以的，但是有條件的最好不要省略這個步驟。

b．壓片、裁片

塗布後，幹燥出的複合材料塗層比較疏松。若直接使用，被電解液浸潤後容易脫落損壞。可采用對輥機或者壓片機等進行壓片處理，對輥機一般可将正極片塗層壓制到15~60 μm。壓片機可以采用大約80~120 kg/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，測試表現要好于不壓片的樣本。

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卷曲，不利于電池裝配，壓力過小又起不到壓片的作用。

極片的輥壓過程中需要将極片壓實，壓實密度盡量接近工業中極片的壓實密度。為了測量材料的動力學極限，可以按研究目的調控壓實密度。

将制備好的極片，用稱量紙上下夾好，放到沖壓機上沖出小極片（圖 2），小極片直徑可根據沖壓機的沖口模具尺寸進行調整，實驗室常采用直徑為 14 mm（對應 CR2032 扣式電池）沖口模具。對沖好的小極片進行優劣選擇，盡量挑選形貌規則、表 面及邊緣平整的極片，若極片邊緣有毛刺或起料，可采用小毛刷進行輕微處理。沖壓制備的小極片數 量根據測試要求和塗片面積進行調整，一般用于充放電測試的極片數量不低于 5 片（建議挑選8片以上完整測試極片）。

圖2 手工沖壓極片流程

将挑選合格後的小極片移到精度較高的天平（精度不低于 0.01 mg）進行稱量，稱好的極片放到 待裝電池的袋子裡，并記錄對應數據（圖 4）。除了 極片的質量稱量之外，在采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%以内 則認為該極片厚度均一性良好，并記錄厚度平均值。

圖3 沖壓後的極片稱量及标記

将稱好的極片放入真空幹燥箱，抽真空至0.1 MPa，設定幹燥溫度和時間，可以采用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标注實驗信息（圖5），防止其它人誤操作。

圖4 極片幹燥烘烤流程

c．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産線上制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将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。

刮刀法主要采用手術刀對目标極片一側進行刮劃，可直接在手套箱内操作，但該方法較易損傷集流體，且耗時較長，不建議采用。

擦拭法需要采用水作溶劑對負極片一側進行擦拭，正極片則可采用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，用沖壓機進行沖片處理，制備成标準尺寸的單面極片。該方法操作簡單，但易出現溶劑滲透或氣氛滲透，對極片另一側表面産生影響。另外，該方法難以制備極片邊緣處樣品，多用于制備極片 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，即采用邊緣折疊和背面貼導電膠，将目标極片的背面包裹于集流體和導電膠内部，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制作單面極片，整個過程可以在手套箱内完成。

單面處理後的目标極片樣品需要進行清洗，目的是去除極片表面的锂鹽和殘餘電解液。常采用的方法是将單面極片浸泡于DMC等溶劑中6～8 h，或用鈍頭鑷子夾起目标極片樣品，并利用移液器或滴管吸取 DMC，對目标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，将極片置于真空艙内，真空幹燥去除溶劑。清洗及真空 幹燥均在手套箱内進行。幹燥後的極片可置于平整 的模具中以保持極片平整，方便後期扣式電池組裝。

3 扣式電池組裝方法

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

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。

|負極殼|彈片|墊片丨锂片丨電解液|隔膜|電解液|正極片|墊片丨正極殼|

圖5 扣式電池組裝流程

進一步，用絕緣鑷子将扣式電池負極側朝上置于扣式電池封口機模具上，可用紙巾墊于電池上方以吸收溢出的電解液，調整壓力（一般為 800 Pa）壓制5 s完成組裝制備扣式電池，用絕緣鑷子取出，觀察制備外觀是否完整（圖7）并用紙巾擦拭幹淨。

圖6 扣式電池封裝流程

模拟電池的組裝過程與扣式電池相似，以物理所自行設計的模拟電池組裝為例，需準備組裝材料包括：模拟電池模具（一個聚四氟乙烯内膽，一個聚四氟乙烯套管，正負極殼和金屬導體柱），金屬锂片，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内膽尺寸。如下圖，将金屬锂片、隔膜、聚四氟乙烯内膽依次放入負極殼模具内，然後用移液器滴加一定量電解液，并将待測極片和金屬導體柱依次放入内膽中，保證活性材料一側貼近隔膜。進一步地，将套有聚四氟乙烯套管的正極殼模具安裝在負極殼模具上，完成模拟電池的組裝。

圖 7 模拟電池組裝流程圖

4 實驗室扣式電池制備中的注意事項

（1）金屬锂片、隔膜、電解液的選擇和處理

實驗室用金屬锂片能夠提供遠遠過量的锂源（1 mA·h/cm2 相當于5 m厚锂箔，實際購買的锂片往往在400～500 μm，相當于80～100 mA·h/cm2, 工業級别的正負極極片單面容量一般在2～4 mA·h/cm2），雜質少且尺寸需大于待測極片，一般可從相關企業或供應商處直接采購惰性氣氛保護下的金屬锂片，并于惰性氣氛保護手套箱内拆解、使用。要求使用锂片純度不低于99.9%，用于制備扣式半電池時經常采用直徑15～15.8 mm（對應極片尺寸為14 mm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，常采用單層或多層的聚乙烯或聚丙烯隔膜，一般選擇采購商業隔膜，并采用沖片機隔膜制備成尺寸規則的圓形，尺寸需大于金屬锂片和待測極片以便隔離正負極片，通常與扣式電池殼的内徑相同（如CR2032 的使用隔膜直徑為15.5～16.5 mm）。實驗室中常采用Celgard2400或Celgard2500型号的工業用聚丙烯膜。

在組裝實驗室用扣式锂離子電池時，通常選擇LiPF₆ 體系電解液[如磷酸鐵锂電池的電解液一般為濃度1 mol/L的LiPF₆溶液，以EC/DEC為1∶1（體積比）混合液作為溶劑，并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CR2032中電解液的使用量一般為100～150 μL，在模拟電池中電解液的使用量一般為200 μL。如需進行長循環測試，可對電解液的量進行适當增加。

（b）制備極片及電池的優劣選擇

制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，可初步判斷極片制備合格。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，說明極片制備的并不合格。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。

制備好的扣式電池和模拟電池外殼模具平整無損壞，表面無腐蝕痕迹、無明顯漏液現象。采用萬用表或電池測試儀對制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内，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号筆标注必要電池信息。

（c）其它注意事項

在以金屬锂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＞锂片的直徑＞極片的直徑。在用鑷子移動整個扣式電池的時候，需要采用絕緣鑷子，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拟電池數量一般不低于5個。

扣式電池和模拟電池制備過程放置锂片步驟，需将锂片邊緣光滑面朝隔膜一側放置，必要時可以用平整的與锂不反應的硬物壓平金屬锂片的表面，以防止锂片邊緣毛刺穿破隔膜導緻電池短路。扣式電池和模拟電池各組件在使用前需進行清洗，其中不鏽鋼部件可分别用去油污清潔劑、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 可适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幹處理。模拟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。

5 一些問題出現的原因

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

（1）開路電壓低的原因

A．極片的毛刺穿破隔膜，造成電池短路；

B．電池裝配過程中，正負極偏移，導緻短路；

C．壓電池步驟出錯，導緻電池裝配不緊密，電池正負極外殼與正負極片虛接，造成短路。

（2）電化學阻抗大

A．導電劑添加量不夠；

B．隔膜的孔隙率小，使得電解液中的锂離子不能能夠順利通過；

C．電解液分解，其中的锂鹽減少。

為了不影響對新合成材料的研究，小編建議新手們可以購買現成的材料進行練手，這樣可以提升研究的容錯率，也需要和實驗室的是師兄師姐們多多交流，避免走一些彎路。電池的組裝是一個熟能生巧的過程，前一兩次裝壞幾個電池是一件很正常的事，技術性的工作需要的是多練習和觀察改進。不要灰心。

參考資料：

[1] 吳宇平, 戴曉兵, 馬軍旗, 等. 锂離子電池: 應用與實踐[M]. 化學工業出版社材料科學與工程出版中心, 2004.

[2] 王其钰, 褚赓, 張傑男, 等. 锂離子扣式電池的組裝, 充放電測量和數據分析[J]. 儲能科學與技術, 7(2): 327-344.

[3] 王其钰, 王朔, 張傑男, 等. 锂離子電池失效分析概述[J]. 儲能科學與技術, 2017, 6(5): 1008-1025.

[4] 張勇, 武行兵, 王力臻, 等. 扣式锂離子電池的制備工藝研究[J]. 電池工業, 2008, 13(2): 86-90.

[5] 蔡勇. 锂離子電池電化學性能測試系統及其應用研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2015.

來源：清新電源

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