华南师范大学实验报告
学生姓名:蓝中舜学号：20120010027
专业：新能源材料与器件勷勤创新班年级、班级：12新能源
课程名称：化学电源实验
实验项目：锂离子电池性能测试
实验类型：验证设计综合实验时间：2014年5月5日-17日
实验指导老师：马国正组员：黄日权郭金海
一、实验目的
1.熟悉、掌握锂离子电池的结构及充放电原理。

2.熟悉、掌握锂离子正极材料的制备过程及工艺。

3.熟悉、掌握锂离子电池的封装工艺及模拟电池测试方法。

二、实验原理
锂离子电池是指正负极为Li+嵌入化合物的二次电池。

正极通常采用锂过渡金属氧化物
Li x CoO2，Li x NiO2或Li x Mn2O4，负极采用锂-碳层间化合物Li x C6。

电解质为溶有锂盐LiPF6，LiAsF6，LiClO4等的有机溶液。

溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和氯碳酸酯（CIMC）等。

在充放电过程中，Li+在两极间往返嵌入和脱出，被形象的称之为“摇椅电池”。

锂离子电池充放电原理和结构示意图如下。

锂离子电池的化学表达式为：
-）Cn|LiPF6-EC+DMC|LiM x O y（+
其电池反应为：
LiM x O y+nC Li1-x M x O y+Li x C n
本实验以高温固相法制备的尖晶石型LiMn2O4为正极材料，纯锂片为负极，制备扣式锂离子模拟电池，并对制备的扣式半电池进行充放电测试。

三、仪器与试剂
电化学工作站，蓝点测试系统、手套箱、电子天平、真空干燥箱、切片机、对辊机、鼓风干燥机
LiMn2O4、乙炔黑、PVDF、无水乙醇、电解液（1M LiPF6溶与体积比EC:DEC:EMC=1:1:1
的溶液）、锂片、去离子水、碳甲基吡咯烷酮。

四、实验步骤
1.正极片的制备
正极活性物质、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯（PVDF）按 80：10：10 的质量比混合均匀后，加入一定量溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），在球磨机中充分研磨30min，然后通过自动涂覆机在集流体铝箔上涂上一定厚度的薄膜，置于80℃鼓风干燥箱中烘30min，再放入120℃真空干燥箱烘干 12 小时。

将烘干的极片经过对辊机滚压，使活性物质与集流体紧密结合。

将压好的电极裁成Φ12mm 的圆片后，再次进行真空干燥，储存备用。

2.负极片制备、电解液、隔膜
负极极片采用厚度为 1.5mm 直径为 15mm 的锂金属薄片；电解液为 1M LiPF6 溶于EC:DEC: EMC=1:1:1(体积比)的溶液；隔膜为聚丙烯，将隔膜纸通过切片机裁剪成为Φ18mm 的圆片。

3.扣式模拟电池的组装
实验模拟电池组装过程是在充满氩气的手套箱中进行，手套箱中氧含量、水含量均须低于1ppm。

干燥的正负极片移入手套箱后，将 LiMn2O4 正极、隔膜、电解液和 Li 片负极按顺序装入扣式2025 模具中（见下图），然后用封口机压封。

4.实验模拟电池的测试
a.将待测的电池与测试仪器相连，注意避免正负极的短路。

b.从微机上启动软件，确认已连接的通道。

c.对各通道进行过程参数设置,要求分别用 1C 进行充放电测试。

d.启动通道进行测试。

e.一个循环后对所得数据进行处理。

五、数据记录和处理
1.充放电参数设置
（1）倍率充电 1C （E ≤4.2V ）
（2）恒压充电 4.2V
（3）静置
（4）倍率放电 1C （E ≥2.7V ）
2.模拟电池的首次充放电性能（容量-电压图）
V o l t a g e /V Capacity/mAh
3.模拟电池的循环性能（循环次数-容量图）
C a p a c i t y /m A h
Cycle
4.称量数据记录
（1）活性物质（LiMn 2O 4）：4.0048g PVDF ：0.5013g 乙炔黑：0.5013g
（2）铝箔质量：6.428mg 涂上去活性物质后铝箔的质量：10.3mg 活性物质质量：3.872mg
六、提问与思考
1. 锂离子电池的化学原理
在放电时，正极从外部电子线路获取电子，锂离子嵌入正极，部分Mn4+被还原成Mn3+，而负极石墨层间的锂离子脱出，同时电子通过外部电路线路释放；充电时，正极把电子释放给外部电子线路，锂离子从正极材料中脱嵌，负极则从外部电子线路获取电子，锂离子嵌入。

2. 锂电池与锂离子电池的区别
最主要的区别是金属锂电池是一次性电池，锂离子电池是可充电循环电池。

锂离子电池是锂电池的改进型产品。

锂电池很早以前就有了，但锂是一种高度活跃的金属，它使用时不太安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来就有了改进型的锂离子电池，加入了能抑制锂元素活跃的成份，比如钴、锰等，从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了。

锂电池是用金属锂作为电极的一种储能电池,比能量极高,早期分为一次性电池和可充电锂电池,但在可充电锂电池发生事故以后,民用市场上已经很少见得到可充电锂电池。

锂离子充电电池实际上是利用锂离子的浓度差进行储能和放电,电池中不存在金属锂。

金属锂电池跟普通干电池的原理一样，它是用金属锂作为电极，通过金属锂的腐蚀或叫氧化来产生电能的，用完就废了，不能充电。

锂离子电池一般用钴酸锂做正极，碳做负极，中间填充电解液以形成离子游离的通道，用隔膜来分离正负极防止短路。

当充电时由于电场作用锂离子从钴酸锂中游出，游离在电液中穿过隔膜中的孔隙，到达负极与碳反应生成碳化锂；放电过程与此相反，锂离子又回到正极，这就是锂离子电池的充放电过程。

锂电池，阳极：Li->(Li+)+e阴极：MnO2+(Li+)+e->MnOOLi这种比较早，现在有新的正极材料。

由于易产生枝晶引起爆炸，所以早已不再应用。

锂离子电池，其点极材料一般层状，可以溶入和溶出锂离子。

离子进出就产生了电流。

充电时，锂离子从正极脱出；放电时，从负极脱出。

3. 常用锂离子电池正极材料的比较
4. 锂离子电池的种类及发展
种类：液体锂离子电池和聚合物锂离子电池。

发展：在各个领域不断取代镉镍和氢镍电池，成为化学电源应用领域中最具有竞争力的电池。

目前，锂离子电池已被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、个人数据助理、手提终端机、无线装置、数字相机等携式电子设备中。

在军事中采用的电池，也大多数采用锂离子电池。

锂离子电池还在空间技术、医疗等众多领域有着广阔的应用前景。

随着锂离子电池新材
料的不断发展，电池的安全性和循环寿命不断提高，成本越来越低，锂离子电池成为电动汽车的首选高能动力电池之一。

5. 锂离子电池的优缺点
优点：工作电压高（3.6V）、能力密度大、体积比能量高（500-800Wh/L）、自放电率小、低污染、无记忆效应、全固态，高安全性和可靠性、工作温度范围宽，-30～+45℃，随着电解质和正极的改进，期望能拓宽到-40～+70℃，低温有可能拓展到-60℃、对环境友好、循环寿命长等。

缺点：成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，随着正极技术的不断发展，可以采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极，从而有望大大降低锂离子电池的成本；必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放；与普通电池的相容性差，因为一般要在用3节普通电池 (3.6V)的情况下才能用锂离子电池进行替代。

6. 以尖晶石 LiMn2O4为例计算电池的理论比容量。

（提示：尖晶石在充放电过程中得失电子数为1）
C=26.8nm/M=26.8×1×1/181=0.148Ah/g=148mAh/g。