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，并介绍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性。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。

我们希望本演示能够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，使用切纸机裁剪一张 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板上。

接着，在箔材表面喷洒足量的丙酮，使用百洁布以小半圆形运动方式擦洗整个表面。在表面额外喷洒丙酮，然后用纸巾擦拭残留物。在铝板的浇铸侧用去离子水冲洗蚀刻后的铝板。

将铝片翻转，先在光亮面重复上述操作，再在哑光面重复一次。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克锂锰钴氧化物（NMC）和0.25克炭黑放入玛瑙研钵中，用研杵轻轻混合，不要研磨。当混合物开始形成后，在研钵中手工研磨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颗玻璃珠和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。

打开驱动器并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。将管重新放回驱动器后，继续混合8分钟。

接着，将一层异丙醇涂在涂布器表面，然后将干燥的铝基底光面朝下放置在表面上。用折叠的纸巾挤出多余的异丙醇，直至所有褶皱和溶剂均被去除。从管驱动装置上取下混合管后，将浆料倾倒至基底表面，形成一条长约2至3英寸、距离基底顶部约1英寸的条带。

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，使用一张薄纸板从涂布器表面提起所制备的电极，以确保薄膜表面不产生褶皱。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英寸的打孔器轻轻置于电极片表面均匀的区域。缓慢向打孔器施加压力，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，电极表面朝外。随后，在真空烘箱中以120摄氏度、负0.1兆帕的条件进一步干燥12小时，以去除任何残留的水分。从烘箱中取出电极后，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心。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质，并将制备好的对电极置于中心位置，锂侧朝下。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弧形凸弯月面。使用镊子将纽扣电池上盖垂直居中放置在电池上方，小心地将上盖压下，使其嵌入垫圈的凹槽中。

将电池转移至压接机，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，将处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 毫安时每克，确定所需电流。接下来，设置循环仪的程序，使电池在上限电压 4.2 伏特和下限电压 2.8 伏特之间进行充放电。

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 充电完成后，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 小时。完成另一次 EIS 分析并将电池重新放回循环仪后，依次以 C/5、1C、2C、5C 和 10C 的倍率各循环一次，随后进行 100 次 1C 倍率循环。通过将电池容量（单位为毫安时）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1 C循环的平均比容量除以最初五个1 C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。

NMP 过多也会导致孔隙率升高。最后，材料在干燥过程中发生积聚会导致表面不均匀。当电池未正确密封时，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结构。较大的颗粒为活性材料，其余物质为聚偏二氟乙烯和炭黑。此处展示了干燥过快与适当干燥的样品薄片的典型循环结果。

可通过放电曲线下的面积来确定电池的比能量。EIS 数据中尾部的斜率表示由扩散引起的电阻，半圆代表由电荷转移电阻引起的电阻数量。快速干燥的薄膜具有较大的半径，表明其电荷转移电阻较高。

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，而优化孔隙率则有助于实现更高效的传质。

一旦掌握，若操作得当，该方法可在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。使用组装好的扣式电池，可常规进行电化学测试，例如充放电循环、循环伏安法以及电化学阻抗谱，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评估。

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