《储能材料与器件分析测试技术》课件-项目九 电化学性能测试

1.首次放电比容量及库伦效率测试与分析01概念02常用名词解释03首次放电比容量及库伦效率测试与分析首次放电比容量：是指以0.1C倍率电流放电时首次比容量。首次库仑效率：是指以0.1C倍率充放电时，首次充放电循环中放电容量与充电容量的比值。首次放电比容量及库伦效率测试与分析（一）概念01概念02首次放电比容量及库伦效率是衡量电池能量密度的关键参数：①对正极材料半电池而言，容量损失主要是由首次放电后材料结构变化引起：首次放电后，正极材料结构由于脱锂而发生变化，从而减少了材料中的可嵌锂位置，锂离子无法在首次放电时全部嵌回到正极，从而就造成了容量损失。评估正极材料的结构稳定性首次放电比容量及库伦效率测试与分析（一）概念②对负极材料半电池也会受到首次效率的影响。以石墨材料半电池为例，石墨材料的锂离子脱嵌和嵌入电位更高、因此是正极，金属锂片为负极，首周循环时，锂离子要先从锂片（负极）失电子后嵌入石墨（正极），因此半电池先是进行放电，然后再进行充电。石墨半电池首次放电时，锂离子在嵌入石墨前，会先在石墨表面形成SEI膜，献身于SEI膜的锂离子无法在后续充电时回到锂片负极，从而就造成了容量损失。评估负极材料的结构稳定性，SEI膜性能03测试方法：组装纽扣半电池或全电池1.聚偏二氟乙烯（PVDF），粘结剂，白色粉末状，烘干温度60℃-70℃，温度过高，物料结块无法使用。常用牌子有阿卡玛900、苏威5130。PVDF分子量越大，粘结性越好。2.超级导电剂（SP），SP碳黑属于碳黑导电剂的一种，它的特点是粒径小，比表面积特别大，导电性能特别好，在电池中它可以起到吸液保液的作用。当SP为乙炔黑时，烘干温度为130℃。3.N-甲基吡咯烷酮（NMP），无色透明油状液体，微有胺的气味。毒性低，对皮肤有腐蚀性，使用者应佩戴口罩，手套，以免直接接触皮肤。（二）常用名词解释首次放电比容量及库伦效率测试与分析（三）首次放电比容量及库伦效率测试与分析1.测试设备：多通道电池测试仪。2.测试步骤：（1）开机预热：打开上位机、中位机和下位机，确保线路连接好，然后打开电脑，预热30分钟。（2）打开软件：双击鼠标左键打开BTS7.6软件操作图标。点击用户和用户登录，输入用户名为admin，密码为neware。首次放电比容量测试首次放电比容量及库伦效率测试与分析（三）首次放电比容量及库伦效率测试与分析（3）设置测试工步：测试参数工步名称时间倍率电压电流截止电流1.搁置24h

2.恒流充电无0.1C3.75V3.恒压充电无3.75V0.05mA0.03mA4.搁置10min

5.恒流放电无0.1C2.5V6.结束首次放电比容量及库伦效率测试与分析（三）首次放电比容量及库伦效率测试与分析（4）设置安全保护和倍率参数安全保护：电压下限2V，电压上限4.2V。倍率参数：活性物质（以实验室实际制备电池中用到的磷酸铁锂为准）。标称比容量：170mAh/g。（5）点击确定按钮启动测试首次放电比容量及库伦效率测试与分析（三）首次放电比容量及库伦效率测试与分析（6）数据处理与分析测试完成后，点击相应的测试通道数据另存为excel文件，然后用origin软件绘制得到如下图形。图中红色曲线为0.1C放电，放电容量约165.80mAh/g；为黑色曲线为0.1C充电，充电容量为170mAh/g，接近理论比容量。通过计算得到首次库仑效率约为97.53%。首次放电比容量及库伦效率测试与分析

2.循环寿命测试与分析01概念02测试01概念一、概念循环寿命测试主要检验锂离子电池在可用容量下降至许可值时的充放电次数，是衡量电池性能的一个重要参数。通过充放电循环测试评估电池的性能，寿命和稳定性，以便优化电池设计和制造过程，提高电池的性能。影响锂离子电池循环寿命的主要因素正极、负极材料的结构稳定性；电解液的稳定性；外部使用因素：工作温度、充放电截止电压、充放电倍率等。02测试二、测试循环寿命测试在25±5℃，以0.5C恒流充电至3.65V（三元4.2V），再3.65V（三元4.2V)恒压充电，电流0.05mA，截止电流0.03mA；然后以0.5C恒流放电至2.0V（三元2.7V），循环3次；以1C恒流充电至3.65V（三元4.2V），再3.65V（三元4.2V）恒压充电，电流0.05mA，截止电流0.03mA；，0.5C恒流放电至2.0V（三元2.7V），循环500次或1000次。要求500次循环放电容量不低于初始容量的90%；1000次循环放电容量不低于初始容量的80%。注：以1C第一次放电容量为起始容量。二、测试循环寿命测试设置安全保护和倍率参数；安全保护电压下限2V电压上限4.2V倍率参数活性物质（以实验室实际制备电池中用到的磷酸铁锂为准）标称比容量170mAh/g点击确定按钮启动测试；二、测试循环寿命测试数据处理与分析。测试完成后，点击相应的测试通道数据另存为NDA文件，然后用桌面上的BTSDA软件打开。由图可知，随着循环次数的增加，电池容量减小。3.倍率放电性能测试与分析01概念02思考03影响锂离子电池倍率性能的主要因素倍率放电性能测试与分析（一）概念01倍率放电充放电倍率：指电池在规定的时间放出/充入其额定容量时所需要的电流值，它在数据值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。如何计算锂离子电池放电倍率？锂离子电池放电倍率的公式为：放电倍率（C）=放电电流（A）÷电池容量（Ah）例如：额定容量为100Ah的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。0.2C，1C，2C是电池放电速率：表示放电快慢的一种量度。较高的放电倍率可能会导致电池内部产生较大的热量，加速电池化学反应速率，导致其容量的下降和寿命的缩短；过高的放电倍率还可能引发电池的过热、炸裂等安全问题。（二）思考倍率放电性能测试与分析思考：锂离子电池放电率越大越好吗？（三）影响锂离子电池倍率性能的主要因素1.锂离子电池的内阻锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的迁移能力直接相关，一切影响锂离子迁移速度的因素（这些影响因子也可等效为电池的内阻），都会影响锂离子电池的充放电倍率性能。2.电池内部的散热速率散热速率慢，大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去，会严重影响锂离子电池的安全性和寿命。影响锂离子电池倍率性能的主要因素：倍率放电性能测试与分析（三）影响锂离子电池倍率性能的主要因素1.测试设备：多通道电池测试仪。2.测试步骤：（1）开机预热：打开上位机、中位机和下位机，确保线路连接好，然后打开电脑，预热30分钟。（2）打开软件：双击鼠标左键打开BTS7.6软件操作图标。点击用户和用户登录，输入用户名为admin，密码为neware。倍率放电性能测试倍率放电性能测试与分析（3）设置测试工步：设置0.5C、1C、2C、5C倍率放电，以0.5C和1C为例进行参数设置测试参数工步名称时间倍率电压电流截止电流1.搁置10min

2.恒流充电无0.5C3.75V3.恒压充电无3.75V0.05mA0.03mA4.搁置10min

5.恒流放电无0.5C2.5V6.循环循环工步：1循环次数：10倍率放电性能测试与分析（三）影响锂离子电池倍率性能的主要因素（3）设置测试工步：设置0.5C、1C、2C、5C倍率放电，以0.5C和1C为例进行参数设置测试参数工步名称时间倍率电压电流截止电流7.搁置10min

8.恒流充电无1C3.75V9.恒压充电无3.75V0.05mA0.03mA10.搁置10min

11.恒流放电无1C2.5V12.循环循环工步：1循环次数：10倍率放电性能测试与分析（三）影响锂离子电池倍率性能的主要因素（三）首次放电比容量及库伦效率测试与分析（4）设置安全保护和倍率参数安全保护：电压下限2V，电压上限4.2V。倍率参数：活性物质（以实验室实际制备电池中用到的磷酸铁锂为准）。标称比容量：170mAh/g。（5）点击确定按钮启动测试倍率放电性能测试与分析（三）首次放电比容量及库伦效率测试与分析（6）数据处理与分析测试完成后，点击相应的测试通道数据另存为excel文件，然后用origin软件绘制得到如下图形。图中从右往左依次为0.5C、1C、2C和5C倍率放电。由图可知，随着放电倍率增大，放电容量依次减小。倍率放电性能测试与分析

4.电池电压、容量和放电平台测试与分析01电压02电池容量和放电平台01电压一、电压锂离子电池的电压作为其核心性能参数之一，直接关系到电池的能量密度、充放电效率以及使用安全性。指电池正负极之间的电势差，通常由正极材料的电极电位和内部电解液的浓度共同决定。标称电压不仅代表了电池的基本特性，更是电池在放电过程中电压变化缓慢阶段的电压值。对于常见的锂离子电池而言，其标称电压通常为3.7V。标称电压一、电压开路电压电池开路时，正负极之间的电位差，开路电压在数值上等于正负极稳定电极电位之差，是一个实测值，一般用万用表可测出来。工作电压是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。又称负载电压。放电终止电压电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。充电终止电压电池充电所允许的最高电压。一、电压为什么电池放电时，其输出电压要比或开路电压低？是因为电池内部存在一定的内阻，在有电流通过时，内阻引起内压降，随着放电进行，电池内阻增大，电压将逐渐降低。为什么要规定电池的放电终止电压？由于电池的使用要求不一样，放电条件也会有区别，为了防止电池性能过早恶化，延长电池使用寿命，需要规定不同使用要求和放电条件下的放电终止电压。另外，为了比较或判别电池的放电性能或检查电池的容量，需要规定放电终止电压。02电池容量和放电平台设计时根据参加反应活性物质的质量按法拉第定律计算应获得的容量。电池容量二、电池容量和放电平台电池容量是衡量电池性能的关键指标。它表示在一定条件下，如放电率、温度和终止电压等，电池所能释放的电量。通常，电池容量通过放电测试来测定，单位为（安培×小时），简称安时(Ah)或毫安时(mAh)。例如，一个36V100Ah的电池，其存储的电量为36V*100Ah=3.6KWh，即3.6度电。理论容量二、电池容量和放电平台比容量单位质量或体积的电池可释放的电量。单位：mAh/g，常出现在科研中。理论比容量假设全部锂离子都参与反应，常简称为理论容量。材料的理论比容量计算如下法拉第常数：F=96500C/mol所有材料理论容量：Q=n*26800mAh/mol

材料的摩尔质量n：1mol材料中可反应的锂摩尔量M二、电池容量和放电平台额定容量即电池包装上注明的容量，是按国家或有关部门颁布的标准，在标准的条件下，放出的最低的容量。标称容量指电池0.2C放电时的放电容量。实际容量是指电池在实际负载条件下所放出的电量。指放电曲线中电压基本保持水平的部分。放电平台越高、越长、越平稳，电池的放电性能越好。行业中最为常用的放电电压平台是放电曲线第一个拐点。放电平台二、电池容量和放电平台识图：以磷酸铁锂材料充放电曲线为例由图可知，LFP的放电平台约为3.4V放电容量如下表：编号放电容量（mAh/g）LFP-A128LFP-B122LFP-C114LFP-D113放电容量放电曲线充电曲线放电平台二、电池容量和放电平台恒流放电法测试电池容量01测试设备：多通道电池测试仪。02测试步骤：（1）开机预热：打开上位机、中位机和下位机，确保线路连接好，然后打开电脑，预热30分钟。（2）打开软件：双击鼠标左键打开BTS7.6软件操作图标。点击用户和用户登录，输入用户名为admin，密码为neware。二、电池容量和放电平台恒流放电法测试电池容量（3）设置测试工步：02测试步骤：测试参数工步名称时间倍率电压电流截止电流1.搁置24h

2.恒流充电无0.2C4.2V3.恒压充电无4.2V0.05mA0.03mA4.搁置10min

5.恒流放电无0.2C2.75V6.结束二、电池容量和放电平台恒流放电法测试电池容量（4）设置安全保护和倍率参数安全保护：电压下限2.75V电压上限4.2V倍率参数：活性物质（以实验室实际制备电池中用到的磷酸铁锂为准）标称比容量：170mAh/g（5）点击确定按钮启动测试（6）数据处理与分析测试完成后，点击相应的测试通道打开容量-电压曲线，即可得到电池的比容量。读取放电曲线拐点处的电压，即可得到电池的放电平台。02测试步骤：5.内阻测试与分析01概念02内阻测试的作用03测试方法04内阻测试操作01概念什么是内阻？一、概念定义电阻是表征电路元件对电流传递阻碍程度大小的物理量。内阻组成欧姆内阻：由电极材料、电解液、隔膜及各个部分的接触电阻所组成。极化内阻：由电化学反应时极化引起的电阻，包括电化学极化和浓差极化电阻。02内阻测试的作用二、内阻测试的作用在实际应用中，评测锂离子电池内阻的作用主要有以下三点：评价电池的健康程度，预测电池寿命；估算电池的荷电状态SOC；识别电池模组内电路的连接状态，作出及时的判断。二、内阻测试的作用影响锂离子电池内阻的因素：1电极材料2电解液3隔膜4温度5电池容量二、内阻测试的作用降低锂电池内阻的方法：优化电极材料：选用导电性能良好的电极材料。提高电解液离子电导率。改善隔膜性能。控制温度：采用先进的热管理系统有效控制电池温度。合理设计电池结构和尺寸。03测试方法三、测试方法交流内阻01交流内阻是在电池正负极之间给一个高频的正弦波电流信号（1000HZ,50mA），同时通过检测两端的电压降，推导出电池的交流阻抗。（单体电池）直流内阻02是给电池施加一个直流信号来测试电池内阻。具体的计算方法就是电池的端电压差值和电流的比值。（大型电池组）三、测试方法其中，RΩ为欧姆电阻，Rct为电荷转移电阻，Cdl为双电层电容，Rw为扩散电阻。锂离子电池开发过程中，研发人员常用到交流阻抗图谱（EIS），它就是将电池内阻模拟成一个等效电路图进行测试，最常见等效电路图如下：三、测试方法第一部分为高频部分，阻抗曲线与横轴相交部分：欧姆电阻RΩ

。第二部分为中频部分，半圆：电荷转移电阻Rct。第三部分为低频部分，45°直线：锂离子扩散阻抗Rw。识图：04内阻测试操作试验前准备四、内阻测试操作电解质溶液准备配置250mL含有铁氰化钾（0.1M）、亚铁氰化钾（0.1M）、氯化钾（0.1M）的混合溶液作为电解液。工作电极（样品）准备取适量样品于小型样品管中，加入200μL的溶剂，超声分散1h。将样品悬浮液用移液枪移取并小心地平铺在玻碳电极的导电面，待其自然风干即可。三电极系统准备将工作电极、参比电极、对电极与电化学工作站链接好，打开电化学工作站，准备开始测试。测试阶段四、内阻测试操作01点击控制>开路电位>开路电压页面，查看开路电压，如下图所示，此时三电极体系的开路电压值为0.3990V，待后面录入参数时使用。02点击实验技术>电化学技术，选择电化学阻抗，确定后设置参数。测试阶段四、内阻测试操作03点击参数设置，进入电化学阻抗参数的页面，根据（1）中所得到的开路电压，设置初始电压为0.3990V。设置高频处的频率为100KHz，低频处的频率为10mHz。振幅和静置时间采用默认数值，点击确定，准备进行电化学阻抗测试。04点击▶运行实验，出现交流阻抗测试的页面，扫描图形如下图所示，右上角显示实验剩余时间，所扫描的数据尽量保证连续。测试阶段四、内阻测试操作05点击图象>图形选项，进入图形选项的对话框以后，选择Nyquist:Z‘’-Z‘，此时电脑将自动进行实验的数据转换，在电脑自动进行数据转换以后，保存文件为*.bin和*.txt两种格式，下一步进行数据处理和分析即可。最终得到如下图所示的EIS阻抗图。6.荷电保持性能和高低温放电测试与分析01荷电保持性能测试02高低温放电测试01荷电保持性能测试一、荷电保持性能测试（一）概念电池在开路状态下，所储存的电量在一定条件下的保持能力。容量保持能力容量恢复能力完全充电的电池在一定温度下储存一定时间后，再完全充电，其后放电容量与初始容量之比。其保持容量应不低初始容量的85%；恢复≥90%其恢复容量应不低于初始的95%。要求一、荷电保持性能测试（一）概念影响电池自放电率。荷电保持能力直接与电池的自放电率相关。影响电池容量。长期的荷电保持能力不佳会加速电池容量的衰减。荷电保持能力对电池性能的影响：一、荷电保持性能测试（一）概念影响电电池内阻变化。荷电保持能力差可能引起电池内阻的变化。在电池自放电过程中，电池内部的化学反应可能会导致电极表面的钝化膜增厚，或者电解质的分解产物在电极和电解质界面处积累。荷电保持能力对电池性能的影响：一、荷电保持性能测试（一）概念影响电池安全性。荷电保持能力对电池安全性也有潜在影响。荷电保持能力差可能导致锂离子电池负极形成枝晶，枝晶在生长过程中可能会刺穿隔膜，使正负极短路。荷电保持能力对电池性能的影响：一、荷电保持性能测试（一）概念影响电池循环寿命。如果荷电保持能力差，电池在存储过程中的电量损失和内部结构变化会累积，使得电池在后续的充放电循环中更容易出现性能衰退，从而缩短循环寿命。荷电保持能力对电池性能的影响：一、荷电保持性能测试（二）常温荷电保持性能测试容量保持能力测试测试设备：电池测试柜测试方法：电池先进行标准完全充电，然后常温存储28天后，按照标准放电倍率进行放电，得到放电容量C1容量保持率=C1/初始容量项目初始容量保持容量编号容量（Ah）容量（Ah）容量保持（%）DY135.92634.84897.0DY236.41635.61597.8一、荷电保持性能测试（二）常温荷电保持性能测试容量保持能力测试工步锂离子电池在（20±5）℃的环境温度下，以0.2C电流恒流放电至规定的终止电压（一般为3.0V），然后以0.2C电流恒流充电至终止电压（一般为4.2V），转入恒压充电（充电终止电流一般为0.02C）；锂离子电池应在（20±5）℃的环境温度下开路存放28d；一、荷电保持性能测试（二）常温荷电保持性能测试容量保持能力测试工步锂离子电池应在（20±5）℃的环境温度下以0.2C电流恒流放电至规定的放电终止电压；计算锂离子电池在步骤③中放出的容量（Ah）；荷电保持能力应以步骤④计算容量与额定容量相比的百分数表示。一、荷电保持性能测试（二）常温荷电保持性能测试容量恢复能力测试测试设备：电池测试柜测试方法：电池先进行标准完全充电，然后在一定条件下储存28天，在进行标准完全充电，开始进行标准充放电，得到放电容量C1

容量恢复率=C1/初始容量项目初始容量恢复容量编号容量（Ah）容量（Ah）容量恢复率（%）DY135.92635.56799.0DY236.41636.05299.0一、荷电保持性能测试（二）常温荷电保持性能测试容量恢复能力测试工步锂离子电池在（20±5）℃的环境温度下，以0.2C电流恒流放电至规定的终止电压（一般为3.0V），然后以0.2C电流恒流充电至终止电压（一般为4.2V