新能源综合实验二12550702040

1、广东第二师范学院 化学系 应用化学专业实验报告实验一：纽扣金属锂电池(模拟)的制作与性能表征班级：12应用化学B班 学号：12550702040 姓名：钟梓峰一、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含氧酸化物LixCoO2，LixNiO2或LixMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LixC6。电解质为溶有锂盐LiPF6，LiAsF6，LiClO4等的有机溶液。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”（Rocking Chair Battery）。锂离子电池充放电原理和结构如图1所示。图1 锂离子电池充放电原理示意图下面以尖晶

2、石型LixMn2O4为正极材料，金属锂为负极，叙述金属锂模拟电池的充放电过程：(1)正极放电时，正极从外部电子线路获取电子，锂离子嵌入正极，部分Mn4被还原为Mn3，充电时，正极把电子释放给外部电子线路，锂离子从金属锂负极材料溶出，电极反应为：(2)负极充放电时电极反应为：锂离子在电解液中，通过微孔薄膜往返迁移，然后沉积到锂电极上。电子在外部线路中转移而释放或消耗能量。这种锂电池的充放电过程可以看到，锂离子的化合价态始终保持1价，无价态转变，所以这种二次电池叫“锂离子电池”。二、实验材料仪器1、实验材料：锰酸锂（LixMn2O4）、铜箔、隔膜（Celgard2400）、锂片、电解液（LB-31

3、5，1M LiPF6溶于体积比 EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）、扣式电池壳（CR2032）、电池垫片、电池弹片、纽扣电池座等。2、实验仪器CorreTest CS350电化学工作站、电子分析天平、JK-TMJ-200台式加热涂膜机（附带小型真空泵）、台式干燥箱、真空干燥箱、JK-GYJ-100B实验型电动辊压机、JK-CPJ-01扣式电池切片机、JK-CMJ-02扣式电池冲模机、手套箱+JK-YYFKJ-20纽扣电池液压封口机（附带高纯氮气气源）等。剪刀4把、美工裁纸刀4把、带密封盖广口玻璃瓶（200 mL，用于储藏金属锂片）6个、塑料试剂瓶（50 mL，用于装电解液和临时储藏金

4、属锂片）6个、1 mL注射器50支、弯型尖觜镊子10把、直型镊子10把、卷纸2打、宽型透明胶4卷、软导气管（通氮气）30米、硬导气管（抽真空）30米、小型静音型空压机1台、硬导气管接头3套、小功率电烙铁2把、带松香的焊锡4卷、大型扳手2把、常用电工工具箱2个、50 mL烧杯50个、200 mL烧杯50个、玻璃棒50支、一次性塑料手套10袋等。三、实验流程与步骤(一)实验流程A搅拌B涂膜烘烤C辊压极片D切片E切膜F封装G测试(二)实验流步骤1、正、负极的制备a、正极的制备按7:2:1的质量比，分别称取2.14 g锰酸锂、0.60 g KS6导电剂碳黑和0.30 g粘结剂聚偏二氟乙烯（PVDF），

5、混合均匀后，加入4 mL溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），在烧杯中充分搅拌20分钟左右并调节好物料的粘度，然后使用加热涂膜机在铝箔的绒面上（集流体）涂成均匀的薄膜（厚度：200 m左右），置于60烘箱中烘2小时，再在120烘箱中烘68小时至实干。将烘干的电极滚压，使活性物质与集流体紧密结合。使用电池切片机将压好的电极裁成14 mm的圆片后，储存备用。其制备流程图如下：图2 正极制备流程图b、负极、电解液、隔膜负极极片是厚度为2.50 mm直径为15 mm的锂金属薄片；电解液为LB-315（1M LiPF6溶于体积比 EC: DEC: EMC=1:1:1的溶液）；隔膜为Celgard2400

6、，将隔膜纸裁剪成直径为16 mm的圆片。把裁剪好后的隔膜、正极片、负极片、电解液、扣式电池壳（CR2032）、电池垫片、电池弹片等转移到充满纯N2的手套箱内。2、实验电池的组装实验模拟电池装配过程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10 ppm。干燥的电极移入手套箱后，分别将LiMn2O4正极、隔膜、电解液、Li负极、垫片和弹片按顺序装入实验模拟电池的模具中（见下图），然后小心地转移到封装机上，使用液压装置压紧电池的上下壳，而且要保证装好的电池密闭不漏电解液。图3 实验模拟电池的示意图 图4 实验模拟电池示意图3、实验电池的测试将待测的电池与测试仪器相连，注意避免正负极的短

7、路，从工作站上启动软件，确认已连接的通道。分别进行开路电位、恒电位极化、恒电位阶越、线性扫描伏安法、循环伏安法、交流阻抗和充放电测试。四、结果与讨论1开路电位（Open Circuit Potential Voc）Fig. 1 Open circuit potential如图 1 所示，可以看出 t = 0 s 时，开路电位为+0.480V，该直线变化范围从 +0.250 V 0.270V，变化很小，说明电极材料在电解液中基本达到稳定状态。此时测得的 EIS和 CV 是有意义的。2恒电位极化（Constant Potential Polarization） 图1.Fig. 2 Constant

8、 potential polarization如图 2 所示，可以看出当电池连接在科斯特电化学工作站时，设定恒定电压为+1.3V，极化时间 100s 后，在极化25s极化电流发生骤降，由0.00015mA 降低至0.00013mA。3.恒电位阶跃（Constant Potential Step）图2.Fig. 3 Constant potential step如图3所示，设定恒电位为+0.005V，时间 t=0.12s，极化电流为-0.000780mA。初步可以判定在该电位下，电流还未达到稳态。在时间 t=0.25s之后，开始电流才达到稳定。4线性扫描伏安法（Linear Scan Volta

9、mmetry LSV） 图3.Fig. 4 Linear voltammetry如图 4 所示，可以看到，随着电压的逐渐减小，电池的电流也相应减小。在此图中，虽然发现有几个比较轻微的氧化峰，电流与电压大体上成线性关系。这与我们所制备的 Li 离子电池原理相一致。在电池中，电子转移主要是通过 Li 离子的嵌入和脱嵌过程所形成，并不是依靠金属氧化物自身的氧化还原过程。5循环伏安法（Cyclic Voltammetry CV）图4.Fig. 5 CV循环伏安法的原理同线性扫描伏安法相同，只是比线性扫描伏安法多了一个回扫。所以称为循环伏安法。循环伏安法是电化学方法中最常用的实验技术。循环伏安法有两个重要的实验参数，一是峰电位之比，二是峰电位之差。但是通过图5可以看到，该图中并未出现明显的氧化和还原峰。该结果与线性伏安法所得结果相一致。6交流阻抗（Electronic Impedance Spectrometry EIS）Fig. 6 EIS当电极系统受到一个正弦波形电压(电流)的交流讯号的扰动时，会产生一个相应的电流(电压)响应讯号，由这些讯号可以得到电极的阻抗或导纳。一系列频率的正弦波讯号产生的阻抗频谱，称为电化学阻抗谱。如图6所示，在中频区有一个小半圆，说明主要受到电荷转移过程的控制；而在高频区出现一个斜向上约4