锂离子扣式电池设计、制作与测试实训中的问题探索

（湖北工业大学理学院 湖北·武汉 430068）

能源是国民经济的基本支撑，是人类赖以生存的五大要素之一。能源安全直接影响到国家的安全、社会的稳定及国民的生活水平。但是，令人担忧的是在现有的能源利用中，不可再生的化石能源占据了世界上90%的能源。科学计算结果发现，已探明的主要的三大化石能源石油、煤炭和天然气的储量分别为1400亿吨、10316亿吨和152亿立方米，按现在的开采利用水平分别还能被开采30年、200年和60年。近年来，为了缓解能源日益枯竭以及燃烧化石能源引起的环境危机，多种新型的、绿色无污染的清洁能源被广泛开发利用，比如风能、太阳能、潮汐能等。但是这些清洁的自然能源在运用的过程中会受到时间和空间的限制。例如对风能的利用，受限于风向的不可捉摸，风速的时大时小，这对风能的规模性利用造成了不利的影响。于是，作为非常有效的能量转换和存储手段的化学电源，给了人们更多利用自然能源的希望。在经历了铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池等化学电源后，锂离子电池因其工作电压高、能量密度大、自放电率低、对环境友好且无记忆效应等特征而受到广泛重视和利用。在当今社会生产和生活中，由锂离子电池提供能量的器件与设备种类繁多，比如给我们带来极大便利的手机、笔记本电脑、电动自行车及电动车等等。所以，了解锂离子电池的相关基础知识，熟悉锂离子电池的制作流程及测试评价体系，对本专业学生从事相关领域的工作打下坚实的基础。

1 锂离子电池的工作原理

图1：锂离子电池工作原理示意图（LiCoO2/电解质/石墨)

如图1所示，以商业化的锂离子电池为例，详细分析锂离子电池的充放电原理。在此种电池中，以层状结构的LiCoO2为正极，石墨为负极，LiPF6为电解质。在电池进行充电过程时，在外部电场的作用下，锂离子从正极材料LiCoO2中层状排列的钴氧八面体的间隙中脱出，通过电解质的传输，跨过隔膜，进入作为负极材料的石墨的层间，与此同时，LiCoO2中的Co3+氧化成Co4+，向外释放出一个电子，在这个过程中外界的电能转化成为化学能存储在电池中。在放电过程中，锂离子从石墨负极的层间脱出，通过电解质，重新插入到LiCoO2的八面体间，Co4+还原成Co3+，与此同时负极向外放出一个电子，在外电路中形成电流，将储存的化学能转化成为电能。其电极反应如下所示：

2 锂离子扣式电池设计制作测试步骤

如图2所示，锂离子扣式电池的制作测试步骤比较复杂，主要分为以下几个步骤：电池设计、正/负极片的涂覆、正负极片的辊压、正/负极片的剪切、电池的组装、电池的封口、电池的测试。

图2：扣式电池设计、制作及测试过程

3 锂离子扣式电池设计制作测试过程中易出现的问题

在上述的整个过程中，由于学生的理论知识不扎实以及实操过程中技术不够娴熟，容易出现以下问题：

（1）由于理论知识不够扎实，在设计环节，容易出现设计的正负极片容量不匹配的问题，造成电池整体容量发挥不理想，甚至引发安全问题。在设计锂离子全电池时，从理论上来说，正/负极极片能够发挥出来的容量应该的相等的，这样才能保证从正极材料脱出的锂离子可以全部嵌入作为负极材料的石墨的碳原子层间。假设正/负极容量不匹配，如果正极容量过大，在相同的电压下，正极脱出的锂离子没有办法全部嵌入负极，使得部分锂离子会沉积在负极极片的表层，形成析锂现象，使得电池循环性能变差，更严重的会造成电池内部短路，引发电池安全问题。一般电池中负极都会略多于正极，过量比例在0%-20%不等，过量多少的关键在于负极材料的质量比容量和电池类型的选择。但是如果负极容量过量过大，那么在形成SEI膜时所需要消耗的锂离子就越多，电池的不可逆容量就越多，对电池整体容量的发挥不利。 所以在开始电池设计前熟练掌握基础知识，比如容量匹配。

（2）在正/负极极片的涂覆过程中，极片表面容易产生气泡。我们将调配的正负极材料涂覆到集流体上的过程中，必须保持表面的平整，这样才能保证在后续的烘干辊压过程中极片不开裂，确保能量释放的连续性。

（3）在电池的装配过程中，由于我们需要在手套箱里面组装电池，许多操作不熟练，造成正/负极极片错位，这样极易造成电池起始电压以及放电效率低，甚至短路。这一步要求学生操作时尽可能地精准。

（4）在电池的测试过程中，学生容易弄混极片质量和活性物质质量两个概念，造成设置测试条件时出现误差，从而得到错误的测试结果。

4 总结

通过实训，学生了解了锂离子电池的一些基础知识，对与之相关的电子材料理论知识加深了理解。熟悉了锂离子电池设计制作及封装测试的流程与技能，掌握了测试与设计开发过程中相关科研生产测试设备的应用。提高了遇到问题时知道如何分析和如何解决问题的能力，同时提高了学生基本的科研素养和动手实践能力。看到自己组装的电池能点亮LED灯，学生备受鼓舞，激发了学生进一步的学习兴趣。