鋰離子扣式電池的組裝，充放電測量和數據分析

王其鈺，褚 賡，張杰男，王 怡，周 格，聶凱會，鄭杰允，禹習謙，李 泓

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鋰離子扣式電池的組裝，充放電測量和數據分析

王其鈺，褚 賡，張杰男，王 怡，周 格，聶凱會，鄭杰允，禹習謙，李 泓

（中國科學院物理研究所，北京 100190）

鋰離子電池材料在研發以及初期生產檢測階段，需要通過扣式電池對電化學性能進行測量。測試方法和分析方法的準確規范是精確分析評價電池材料、開發新材料及開發新電池體系的基礎。本文總結了以往文獻資料，結合實際工作經驗，介紹實驗室鋰離子扣式電池組裝流程、充放電性能測量和數據分析方法。

鋰離子扣式電池；充放電性能

一種新的電池材料或體系的開發通常歷經實驗室研發、小試、中試以及規模放大和商業化應用5個階段，其中實驗室研發階段是對材料或體系性能測試、驗證以及價值判斷的關鍵。實驗室數據除了具有重要的科研價值外，還有助于在早期開發階段判斷某些材料及電池體系是否具有實際應用價值及商業開發價值。實驗室扣式電池除了用于對現有材料的性能進行檢測之外，還用于對新材料、新工藝產品進行初步的電化學性能測試與評價。顯然，對新電池材料的性能進行較為準確的測量，對該材料的開發與制備、全電池設計與應用有著重要意義[1-2]。而不同的電池測試方法對材料性能參數的測試結果會有明顯的影響，因此，實驗室扣式電池電化學性能測評方法的規范化，扣式電池測試數據如何對全電池設計提供更為準確的信息，如何根據扣式電池數據實現對電池材料的準確測試與電池整體的早期評價十分重要且必要[3]。

現行的鋰離子電池測試標準多針對電池單體或電池包等產品的安全性及電性能的測試，如IEC 62133、UL2054、UL 1642和JIS—C—8714等標準主要側重于電池產品的安全性能方面，歐盟發布的IEC 61960，日本推出的JIS—C—8711則主要側重于鋰離子電池的電性能測試，國內針對單體電池制定的GB/T 18287《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范》則包含了部分安全檢測和性能測試項目。國內外也相繼出臺了多個特定領域的標準電池測試手冊，且多是針對產業化的電池產品制定的，如《電動汽車動力性能試驗方法》、《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》、《電動汽車用鋰離子蓄電池》、《USABC電池試驗程序手冊》等。在參考以上行業標準的基礎上，結合科研工作中的實際情況，本文主要介紹了鋰離子電池扣式電池在實驗室階段的組裝、充放電性能測試分析以及針對工業生產線電池極片的極片處理等內容。

文中介紹的充放電性能測試針對實驗室鋰離子扣式樣品電池，包括半電池（half cell，正極極片/金屬鋰片、負極極片/金屬鋰片）、全電池（正極極片/負極極片）以及對稱電池（正極極片/正極極片、負極極片/負極極片）。其中對稱電池多用于阻抗測試分析，后續會再做討論?？凼诫姵赜沙商椎目凼诫姵貧ぜ皟炔拷M件構成，不銹鋼電池殼電化學穩定性好、密封性良好、尺寸較小、組裝較為簡單、價格便宜、適用溫度為-40～80 ℃，適合大量測試使用。最近國內外企業開始研制高通量扣式電池自動組裝設備，用于電池關鍵材料的批量加速驗證和研發。一般的扣式電池殼型號有CR2032、CR2025、CR2016等，實驗室中常采用CR2032型電池殼（即直徑為20 mm，厚度為3.2 mm）?？凼诫姵貧び煤髣t報廢，需增加金屬回收環節以免浪費和污染環境[4]。Swagelok電池，又稱為模擬電池，也經常用于實驗室測試，其電池殼采用不銹鋼外殼和聚四氟乙烯內膽，可重復使用[5]。Swagelok型電池拆解便捷，適合用于電池拆解分析。但模擬電池相對成本較高，且組裝出一致性較好的電池需要規范的訓練和一定經驗。

扣式電池的充放電模式包括恒流充電、恒壓充電、恒流放電、恒阻放電、混合式充放電以及階躍式等不同模式充放電[6-7]。實驗室中常采用恒流充電（CC）、恒流-恒壓充電（CC-CV）、恒壓充電（CV）、恒流放電（DC）對電池充放電行為進行測試分析，而階躍式充放電模式則多用于直流內阻、極化和擴散阻抗性能的測試?？紤]到活性材料的含量以及極片尺寸對測試電流的影響，恒流充電中常以電流密度形式出現，如mA/g（單位活性物質質量的電流）、mA/cm2（單位極片面積的電流）。充放電電流的大小常采用充放電倍率來表示，即：充放電倍率（C）=充放電電流（mA）/額定容量（mA·h），如額定容量為1000 mA·h的電池以500 mA的電流充放電，則充放電倍率為0.5 C。目前電動汽車用鋰離子電池已發布使用的行業標準QCT/743—2006中指出鋰離子通用的充放電電流為C/3，因此含C/3的充放電行為測試也常出現在實驗室鋰離子電池充放電測試中[8]。

倍率性能測試有3種形式，包括采用相同倍率恒流恒壓充電，并以不同倍率恒流放電測試，表征和評估鋰離子電池在不同放電倍率時的性能；或者采用相同的倍率進行恒流放電，并以不同倍率恒流充電測試，表征電池在不同倍率下的充電性能；以及充放電采用相同倍率進行充放電測試。常采用的充放電倍率有0.02 C，0.05 C，0.1 C，C/3，0.5 C，1 C，2 C，3 C，5 C和10 C等。

對電池的循環性能進行測試時，主要需確定電池的充放電模式，周期性循環至電池容量下降到某一規定值時（通常為額定容量的80%），電池所經歷的充放電次數，或者對比循環相同周次后電池剩余容量，以此表征測試電池循環性能。此外，電池的測試環境對其充放電性能有一定的影響。

下文將詳細介紹扣式電池組裝、充放電測試和數據分析各過程及影響扣式電池測量和數據分析準確性的影響因素。

1 鋰離子扣式電池的組裝

1.1 極片的制備

1.1.1 材料的選擇、稱量

實驗室用正負極材料可以采購，也可以實驗室自行制備，一般為粉末材料，顆粒尺寸不宜過大，便于均勻涂布，同時避免由于顆粒較大導致測試結果受到材料動力學性質的限制較大以及造成的極片不均勻性問題。實驗室研究一般最大顆粒直徑（max）不超過50mm，工業應用一般max不超過30mm。較大顆粒、團聚體或者納米級別，需做顆粒篩選和研磨處理。常用導電劑為碳基導電劑，包括乙炔黑（AB）、導電炭黑、Super P、350G等導電材料。常用黏結劑體系包括聚偏氟乙烯-油性體系[即poly(vinylidene fluoride)，PVDF體系]以及聚四氟乙烯-水性體系[即poly(fluortetraethylene)，一般為乳液，簡稱PTFE體系]，SBR（丁苯橡膠）乳液等。油系溶劑常采用NMP（-甲基吡咯烷酮）。

實驗室制備極片時，混料比例和步驟依據測試材料及混料工藝的不同而有差別。如常見的石墨負極極片中，CMC（羧甲基纖維素鈉）的含量一般低于10%，SBR的含量一般低于10%，導電添加劑的含量一般低于10%（高倍率電池除外）。而在硅基負極材料中，考慮到硅基負極材料的導電性較差，因此需增加極片中的黏結劑含量和改變導電添加劑的種類，一些研究將CMC的比例調整為20%，SBR的比例調整為20%，導電添加劑中加入CNT（碳納米管）；對于高功率電池極片研發測試時，可以適當增加導電劑的含量，比例可調整為20%左右。高比例黏結劑和導電添加劑是為了充分展示正負極活性材料的電化學特性，而實際鋰離子電池中電極極片的黏結劑質量比一般在2%左右，導電添加劑比例一般在1%～2%。

材料的稱量應選擇精度不低于稱量質量1%的電子天平，防止引入較大的稱量誤差?；钚圆牧霞皩щ妱┑姆Q量可以直接粉體稱量，黏結劑的稱量則是先稱量粉體后與對應量的溶劑繼續配比制備黏結劑溶液（如PVDF溶于NMP中溶解比例為10%，質量分數），再根據實際加入體積計算其中的黏結劑固體含量。

1.1.2 集流體的選擇

鋰離子電池極片的正、負極集流體分別為鋁箔和銅箔，如果選用單面光滑的箔材，建議在粗糙的一面上涂布，以增加集流體與材料之間的結合力。箔材的厚度沒有特殊要求，但對箔材的面密度均勻性有很高要求。如果是硅基負極材料，可以選用涂碳銅箔以提高黏附性，降低接觸電阻，增加測試結果的重現性，提高循環性能。

1.1.3 極片涂覆制備工藝

實驗室用極片制備過程可分為混料和涂覆兩個步驟。其中混料工藝主要包括手工研磨法和機械混漿法，涂覆工藝則包括手工涂覆和機械涂覆。

實驗室進行混料時，依據供料的多少來確定采用手工研磨法或機械混漿法，如活性材料的質量在0.1～5.0 g時建議采用手工研磨法，活性材料的質量超過5.0 g時，建議采用實驗室用混料機進行混料。實驗室中每次混漿量有限，常采用手工涂覆，當漿料足夠時可采用小型涂覆機。整個極片制作過程需要在干燥環境下進行，所用材料、設備都需要保持干燥。圖1為手工混料、手工涂覆方法制備極片過程，包括材料準備、活性材料和導電劑的稱取和研磨、加入黏結劑、漿料研磨、取出漿料手工涂布極片、極片烘烤等步驟。

機械混漿過程中，則包含材料準備、儀器準備、配置黏結劑漿料、加入導電添加劑、配置漿料、加入電極材料配置漿料，涂布以及極片烘烤等步驟（圖2）。

圖1 手工混料涂覆流程

圖2 機械混料、手工涂覆流程

其中要注意的是需先將黏結劑（如PVDF）加入溶劑NMP中，在50 ℃以下攪拌至PVDF完全溶解，然后根據漿料配制比例進行配比。在混料過程中需將黏在壁上的材料處理并混入漿料中，防止因為比例不對造成計算材料比例時出現偏差?；鞚{過程時間過短或過長、漿料不勻或過細都會影響到極片整體質量和均勻性，并直接影響材料電化學性能發揮及對其的評價。

此外，特別需要注意的是，一般極片的面容量設為2～4 mA·h/cm2，最低不建議低于1 mA·h/cm2，這樣的活性物質負載量與工業應用的更為接近，便于準確對標評價材料的倍率和低溫特性。個別情況下，可以超過這一負載量，例如針對厚電極的研究。低于這一面容量制作的極片，一方面，稱量誤差較大；此外，由于極片薄，動力學性能較好，體積變化較小，電解液相對遠遠過量，這樣有利于測到材料的最高容量，但半電池測到的倍率、循環性有可能會顯著高于實際全電池工作條件下的性能，此時的動力學及循環性數據結果并不能和大容量實際電池有較好的對應關系。當然，即便和實際體系的要求有差異，但如果所有材料按照同一極片的制作條件來對比，對于比較材料的性能差異也有一定意義。但不同極片制作條件下的動力學、循環性能數據對比，往往可靠性低，而實驗室手工制作的薄極片的一致性往往很難保證。

1.1.4 極片干燥條件、輥壓工藝、極片壓切與稱量、真空烘烤

極片的干燥一般需要考慮3點，烘烤溫度、烘烤時間、烘烤環境，對于NMP油系的烘烤溫度需要100 ℃以上，在能夠烘干的前提下，盡量降低烘烤溫度，增加烘烤時間。對于一些容易氧化或者在高溫空氣中不穩定的材料，需要在惰性氣氛烘箱中烘烤。還可以通過直接測量極片水分含量來確定干燥條件。

極片的輥壓過程中需要將極片壓實，壓實密度盡量接近工業中極片的壓實密度。為了測量材料的動力學極限，可以按研究目的調控壓實密度。

將制備好的極片，用稱量紙上下夾好，放到沖壓機上沖出小極片（圖3），小極片直徑可根據沖壓機的沖口模具尺寸進行調整，實驗室常采用直徑為14 mm（對應CR2032扣式電池）沖口模具。對沖好的小極片進行優劣選擇，盡量挑選形貌規則、表面及邊緣平整的極片，若極片邊緣有毛刺或起料，可采用小毛刷進行輕微處理。沖壓制備的小極片數量根據測試要求和涂片面積進行調整，一般用于充放電測試的極片數量不低于5片（建議挑選8片以上完整測試極片）。

圖3 手工沖壓極片流程

將挑選合格后的小極片移到精度較高的天平（精度不低于0.01 mg）進行稱量，稱好的極片放到待裝電池的袋子里，并記錄對應數據（圖4）。除了極片的質量稱量之外，在采用厚度儀對極片的厚度進行測量時，多個極片的測量數值誤差在3%以內則認為該極片厚度均一性良好，并記錄厚度平均值。

圖4 沖壓后的極片稱量及標記

將稱好的極片放入真空干燥箱，抽真空至0.1 MPa，設定干燥溫度和時間，可以采用120 ℃烘烤6 h，這一步驟的目的是進一步去除極片中的水分。啟動運行升溫后建議標注實驗信息（圖5），防止其它人誤操作。

1.2 雙面極片處理方法

在實驗室測試分析中，還包括對一些工業生產線上制備極片以及從電芯拆解取出極片的電化學性能進行分析評估。上述極片多為雙面涂覆極片，因此在組裝扣式電池測試之前需將雙面極片處理成單面極片（暴露出集流體）。常用的處理方法包括刮刀法、擦拭法以及背面貼膠法。

刮刀法主要采用手術刀對目標極片一側進行刮劃，可直接在手套箱內操作，但該方法較易損傷集流體，且耗時較長，不建議采用。

擦拭法需要采用水作溶劑對負極片一側進行擦拭，正極片則可采用NMP（-甲基吡咯烷酮）作溶劑擦拭。擦拭至背面無明顯活性材料（目視觀測即可）后，用沖壓機進行沖片處理，制備成標準尺寸的單面極片。該方法操作簡單，但易出現溶劑滲透或氣氛滲透，對極片另一側表面產生影響。另外，該方法難以制備極片邊緣處樣品，多用于制備極片中心區域樣品。

背面貼膠法是中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）失效分析團隊近期發展的一種雙面極片處理方法，即采用邊緣折疊和背面貼導電膠，將目標極片的背面包裹于集流體和導電膠內部，形成單面極片。該方法操作簡便，可以方便地在雙面極片上任意部位取樣制作單面極片，整個過程可以在手套箱內完成[9]。

單面處理后的目標極片樣品需要進行清洗，目的是去除極片表面的鋰鹽和殘余電解液。常采用的方法是將單面極片浸泡于DMC等溶劑中6～8 h，或用鈍頭鑷子夾起目標極片樣品，并利用移液器或滴管吸取DMC，對目標極片含活性物質一側進行正面沖洗數次，或者兩種方法結合使用。清洗后，將極片置于真空艙內，真空干燥去除溶劑。清洗及真空干燥均在手套箱內進行。干燥后的極片可置于平整的模具中以保持極片平整，方便后期扣式電池組裝。

1.3 扣式電池組裝方法

將準備好的極片轉移到惰性氣氛手套箱內，準備扣式電池組裝部件：負極殼、金屬鋰片、隔膜、墊片、彈簧片、正極殼、電解液，此外還需要壓片模具、移液器和絕緣鑷子。

組裝過程如下圖所示：將負極殼平放于絕緣臺面，將金屬鋰片置于負極殼中心，并用壓片模具對金屬鋰片進行平整化處理，然后將隔膜平放于鋰片上層，用移液器取適量電解液滴加入隔膜表面。用絕緣鑷子將測試極片、墊片、彈簧片和正極殼依次置于隔膜上層，其中測試極片的活性材料一側需貼近隔膜（圖6）[10]。進一步，用絕緣鑷子將扣式電池負極側朝上置于扣式電池封口機模具上，可用紙巾墊于電池上方以吸收溢出的電解液，調整壓力（一般為800 Pa）壓制5 s完成組裝制備扣式電池，用絕緣鑷子取出，觀察制備外觀是否完整（圖7）并用紙巾擦拭干凈。

圖6 扣式電池組裝流程

圖7 扣式電池封裝流程

模擬電池的組裝過程與扣式電池相似，以物理所自行設計的模擬電池組裝為例[11]，需準備組裝材料包括：模擬電池模具（一個聚四氟乙烯內膽，一個聚四氟乙烯套管，正負極殼和金屬導體柱），金屬鋰片，隔膜，電解液及待測極片。其中待測極片尺寸不能超過聚四氟乙烯內膽尺寸。依照圖8，將金屬鋰片、隔膜、聚四氟乙烯內膽依次放入負極殼模具內，然后用移液器滴加一定量電解液，并將待測極片和金屬導體柱依次放入內膽中，保證活性材料一側貼近隔膜。進一步地，將套有聚四氟乙烯套管的正極殼模具安裝在負極殼模具上，完成模擬電池的組裝。

圖8 模擬電池組裝流程圖

1.4 實驗室扣式電池制備中的注意事項

1.4.1 金屬鋰片、隔膜、電解液的選擇和處理

實驗室用金屬鋰片能夠提供遠遠過量的鋰源 （1 mA·h/cm2相當于5mm厚鋰箔，實際購買的鋰片往往在400～500mm，相當于80～100 mA·h/cm2, 工業級別的正負極極片單面容量一般在2～ 4 mA·h/cm2），雜質少且尺寸需大于待測極片，一般可從相關企業或供應商處直接采購惰性氣氛保護下的金屬鋰片，并于惰性氣氛保護手套箱內拆解、使用。要求使用鋰片純度不低于99.9%，用于制備扣式半電池時經常采用直徑15～15.8 mm（對應極片尺寸為14 mm的CR2032扣式電池），厚度0.5～0.8 mm，表面平直、銀白色光亮、無油斑、穿孔和撕裂。

隔膜的類型需根據實驗要求進行選擇，一般為具有納米孔隙的絕緣膜，吸附電解液后可允許離子雙向傳輸，常采用單層或多層的聚乙烯或聚丙烯隔膜，一般選擇采購商業隔膜，并采用沖片機隔膜制備成尺寸規則的圓形，尺寸需大于金屬鋰片和待測極片以便隔離正負極片，通常與扣式電池殼的內徑相同（如CR2032的使用隔膜直徑為15.5～16.5 mm）。實驗室中常采用Celgard2400或Celgard2500型號的工業用聚丙烯膜。

在組裝實驗室用扣式鋰離子電池時，通常選擇LiPF6體系電解液[如磷酸鐵鋰電池的電解液一般為濃度1 mol/L的LiPF6溶液，以EC/DEC為1∶1（體積比）混合液作為溶劑[12]]，并且可根據實驗要求進行選擇，如選擇普通配比電解液、含有某種或多種添加劑的電解液等?？凼诫姵亟M裝時電解液的使用量通常為過量，如在扣式電池2032中電解液的使用量一般為100～150mL，在模擬電池中電解液的使用量一般為200mL。如需進行長循環測試，可對電解液的量進行適當增加。

1.4.2 制備極片及電池的優劣選擇

制備后的極片表面平整，無明顯大顆粒物，且在烘烤、常溫冷卻、轉移過程中無明顯掉料現象，可初步判斷極片制備合格。進一步可通過對極片的質量、厚度、沖片后邊緣的掉料程度進行對比，如果極片的質量、厚度相差很大，極片圓片的邊緣掉料有好有壞，說明極片制備的并不合格。應選擇其中質量、厚度和邊緣掉料均一的極片組裝電池進行測試。

制備好的扣式電池和模擬電池外殼模具平整無損壞，表面無腐蝕痕跡、無明顯漏液現象。采用萬用表或電池測試儀對制備電池進行開路電壓測試，正極材料半電池開路電壓在3 V以上，負極材料半電池開路電壓在2.5～3.5 V內，表明組裝電池無明顯短路情況，若開路電壓異常則可視為組裝電池不合格。在篩選合格的扣式電池正極殼上用記號筆標注必要電池信息。

1.4.3 其它注意事項

在以金屬鋰作為負極的扣式半電池中，全電池中的負極材料此時實際上在扣式電池中也是正極。在扣式電池中需保證隔膜的直徑＞鋰片的直徑＞極片的直徑。在用鑷子移動整個扣式電池的時候，需要采用絕緣鑷子，防止正負極接觸短路。為保證后期電化學測試項目及考慮到誤差和操作失誤，實驗室組裝同一種材料的扣式電池或模擬電池數量一般不低于5個。

扣式電池和模擬電池制備過程放置鋰片步驟，需將鋰片邊緣光滑面朝隔膜一側放置，必要時可以用平整的與鋰不反應的硬物壓平金屬鋰片的表面，以防止鋰片邊緣毛刺穿破隔膜導致電池短路?？凼诫姵睾湍M電池各組件在使用前需進行清洗，其中不銹鋼部件可分別用去油污清潔劑、丙酮、乙醇、水依次進行超聲清洗，在使用去油污清潔劑清洗時可適當提高清洗溫度達到去除部件表面油污的目的。聚四氟乙烯部件則使用除丙酮以外的其它幾種試劑進行清洗。清洗后的部件需在烘箱中進行烘干處理。模擬電池組裝放置極片時，需注意極片易發生移動翻轉。使用鑷子調整時容易發生極片破損和電解液側漏，建議使用鈍頭絕緣鑷子處理。

2 充放電測試方法

2.1 實驗儀器介紹

鋰電池的充放電測試一般采用恒流-恒壓充電、恒流放電模式，記錄該過程中的測試時間、電壓和電流等數據，通過分析該過程中數據的變化來表征電池或材料的容量、庫侖效率、充放電平臺以及電池內部參數變化等電化學性能參數。

現階段國內外相關單位使用的電池測試系統包括Arbin公司的電池測試系統、新威公司的電池測試系統、藍電公司的系列電池測試系統以及MACCOR公司的電池測試系統等[13]，見表1。此外拜特電池測試系統和Bitrode電池測試系統則多用于大容量電池、電池組等裝置的測試分析。一些電化學工作站也具有扣式鋰電池電化學性能測試功能，但由于通道設計、功能設計等原因，多用于電池的循環伏安法測試分析、阻抗測試及短時間的充放電測試，電化學工作站儀器廠家包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner（IM6）、上海辰華等。

在實驗室鋰電池的測試過程中，還經常要用到防爆箱和恒溫箱（圖9）。實驗室用電池防爆箱多用于大容量電池的測試，在研究扣式電池一些特殊性能測試的時候也會用到，如高倍率、高溫性能測試等。實驗室用恒溫箱溫控多為25 ℃，且實際溫度與設定溫度間的溫差精度不超過1 ℃。在電池的高低溫性能測試中，最低溫度可達到-70 ℃，最高溫度可達150 ℃?？紤]到寬溫度范圍的恒溫箱價格較貴，且應用較為集中，因此建議多臺恒溫箱設定不同溫度集中測試使用，即同一種驗證材料組裝多支扣式電池分別測試常溫及高低溫性能，實驗室測試常用溫度為25 ℃、55 ℃和80 ℃（圖10）。在選擇恒溫箱時，盡量采用專門用于電池測試的恒溫箱，此類恒溫箱含有專業的絕緣絕熱口用于連接電池測試導線。電池在連接測試夾具時，需使用絕緣鑷子，且測試電池需整齊置于防爆箱或恒溫箱內，設定測試溫度，待溫度達到設定溫度后開啟電池測試程序，測試過程中建議貼標簽注釋測試信息（圖11）。

表1 幾種電池測試系統主要性能對比

圖9 實驗室用電池防爆箱和恒溫箱

圖10 不同設定溫度的實驗室用恒溫箱

圖11 恒溫箱中扣式電池安裝圖

2.2 充放電測試常規實驗流程

將測試電池安裝在測試儀器上，置于（25±1）℃測試環境中。設置以下程序：靜置10 min；以1.0 C電流恒流充電至4.2 V，然后恒壓充電至電流下降至 0.05 C，充電停止；靜置5 min；然后以1.0 C電流恒流放電至3.0 V；重復上述充放電步驟5～10次。

上述測試參數為常規全電池測試參數，一般正極材料/金屬鋰扣式電池的電壓范圍為3.0～4.3 V，負極材料/金屬鋰扣式電池的電壓范圍為0.005～1.0 V，特殊高電壓正極材料（如高電壓鈷酸鋰、尖晶石鎳錳酸鋰、富鋰錳基層狀氧化物等材料）或其它正極材料（如磷酸鐵鋰材料）可依據電極材料特性和電解液、固態電解質耐受氧化電壓進行電壓范圍調整，其它參數不變。負極材料/金屬鋰扣式電池以及無鋰正極材料（如MnO2等）/金屬鋰扣式電池在測試時首先放電至最低電壓窗口，然后進行充電。需要注意的是，目前在許多文章中的負極材料測試范圍為0.005～3.0 V，而在全電池測試過程中，一般能夠采用的電壓范圍對應于負極半電池測試實際上不超過1.0 V，例如對于石墨或者硅基負極材料，可用的電壓范圍為0.005～0.8 V，對于鈦酸鋰這種負極材料，可用的電壓范圍為1.2～1.9 V。因此對于某些文章中在寬電壓范圍內獲得的高容量和高首次庫侖效率，其在全電池中并不能發揮出來，實際意義并不大。針對軟碳或硬碳負極材料，或者目前正在開發的復合金屬鋰負極材料，放電截止電壓可以更低，如0 mV甚至-50 mV，具體情況需要具體分析。建議多數負極材料的半電池測試控制電壓范圍在0.005～1.0 V，超過這個電壓范圍，在結果的陳述及應用前景的描述上需要特別聲明，以免夸大結果。

測試電池材料實際容量的時候，盡量使用小倍率進行充放電，以減小極化產生的容量誤差，得到電池的真實容量，一般選擇0.1 C的倍率進行測試。

操作人員在測試儀器上裝卸扣式電池時需佩戴絕緣手套及口罩和防護眼鏡；由于測試通道較多，需對測試電池、測試通道進行特殊標記，并在相關儀器前貼醒目標簽注釋以防他人誤操作。

2.3 倍率充放電測試常規實驗流程

倍率充放電測試一般分為3種形式，相同倍率充電不同倍率放電、不同倍率充電相同倍率放電和不同的倍率充放電測試。下面以充放電電壓窗口為3.0～4.2 V的扣式電池測試為例進行介紹。

電池連接測試儀器并置于穩態環境中，靜置 5 min；以0.5 C電流放電至3.0 V，靜置10 min后以0.5 C恒流充電至4.2 V，在4.2 V恒壓至電流下降為0.05 C截止，然后以不同形式進行倍率充放電測試。

相同倍率充電不同倍率放電的實驗流程為：靜置5 min后以不同的倍率放電至3.0 V，并記錄放電容量，靜置10 min后以0.5 C恒流充電至4.2 V，在4.2 V恒壓至電流下降為0.05 C截止。

不同倍率充電相同倍率放電的實驗流程為：靜置5 min后，以0.5 C倍率恒流放電至3.0 V，靜置10分鐘，然后以不同倍率恒流充電至4.2 V，在4.2 V恒壓至電流下降為0.05 C截止。

不同的倍率充放電的實驗流程為：靜置5 min后，以不同的倍率恒流放電至3.0 V，靜置10 min，然后以相同的倍率（電流）進行恒流充電至4.2 V，在4.2 V恒壓至電流下降為0.05 C截止。

根據測試形式，改變不同的倍率重復上述某個實驗流程，充放電倍率由低到高（一般為0.2 C、0.5 C、1 C、2 C以及5 C等更高倍率）。建議相同倍率充放電循環5～10次。

2.4 充放電循環測試常規實驗流程

在對電池的循環性進行測試時，可在上述充放電測試（2.2節內容）的基礎上，增加循環次數，對比相同循環次數后的容量保持率?；蛑貜统浞烹娧h，當放電容量連續兩次低于初始放電容量的80%時，確定此時的循環周數。

2.5 高低溫測試常規實驗流程

鋰離子電池高低溫性能測試中，高溫性能測試一般設置為45 ℃、55 ℃、80 ℃或更高溫度，低溫性能測試一般設置為0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃或-40 ℃，測試流程同2.2、2.3、2.4節內容。

測試數據需要與室溫的數據進行對比，因此在高低溫測試之前需進行常溫的充放電測試（即2.2測試內容）。而在進行放電效率測試的時候，建議采用室溫（25±1）℃下進行恒流-恒壓（CC-CV）模式充電至100%SOC，在不同溫度下靜置30 min后進行恒流放電（DC）。

3 數據分析

3.1 充放電測試數據分析

3.1.1 基本數據分析

（1）電壓分析

組裝的鋰離子電池的開路電壓是指外電路沒有電流通過時的正負極電位差，可通過萬用表（精確度不低于0.1 mV，建議采用高內阻抗的專用電壓表防止自放電）直接測量，或連接至電池測試系統后直接讀取數值[14]。該值僅為組裝電池后的初始開路電壓，全SOC下的開路電壓需通過恒電流間歇滴定（GITT）方法測得[15]，將在后續文章中介紹。工作電壓則是指外電路有電流通過時正負極即時電位差，可直接體現在電池測試系統數據中。工作電壓=0±SR，式中，0為熱力學平衡電壓，R為扣式電池內部或接觸存在的某一種電阻，如某一結構組元的歐姆電阻、電荷轉移阻抗、擴散阻抗，為測試電流。工作電壓與電流大小有關。

（2）容量分析

對于測試的電池材料來說，容量分析一般需要確定3個數據：首次充電容量、首次放電容量（正極材料）和可逆容量。其中，首次充電容量即為鋰離子電池首次充電結束時的充電容量，首次放電容量即為鋰離子電池首次放電結束時的放電容量，可逆容量則為電池循環穩定后的容量值（常溫下測試值又稱額定容量），一般選取第3～5周的放電容量，有時可能需要選取10周以后的放電容量。在實際應用中，對測試材料或極片的克容量、面容量及體積容量的分析更具有參考價值。如克容量即單位活性物質質量的放電容量，=/；面容量即單位測試極片面積的放電容量，=/；體積容量即單位極片體積的放電容量，=/。式中，為放電比容量mA·h/g（毫安時每克）、mA·h/cm2（毫安時每平方厘米）或mA·h/cm3（毫安時每立方厘米），為放電容量mA·h（毫安時），為活性材料的質量g（克），為測試極片面積cm2（平方厘米），為測試極片的體積cm3（立方厘米）?？巳萘繀涤糜趯Ρ葴y試材料的性能更加直觀，而面容量和體積容量對于測試材料的實際應用，正負極容量匹配時則更具有參考價值。建議發表文章時同時提供3種比容量的信息。

扣式電池數據也可以評價正極活性材料的能量密度（W），指的是單位質量的正極活性材料所能夠存儲和釋放的能量，=/，即放電平均電壓與克容量的乘積，常用單位為W·h/kg（常稱為比能量），也包括體積能量密度W·h/L。一般電芯中正極活性物質占的質量比為30%～50%，具體比例取決于正極材料的壓實密度和真實密度。因此，根據正極活性物質的能量密度，也可以粗略估算相應的全電池的能量密度，這對于沒有條件研制全電池，但又希望評價正極材料和預測電芯能量密度具有參考意義。

3.1.2 充放電曲線分析

充放電曲線體現的是電池材料的充放電行為，對扣式電池充放電曲線進行分析對理解材料的性能及電化學行為有著重要意義，尤其對半電池充放電曲線的分析，能夠針對性地分析某一種材料的特性行為。充放電曲線有幾種不同的展現形式，如較為常見的“交叉式”曲線（圖12）以及“循環式”曲線（圖13）。

圖12 幾種不同材料組裝半電池的“交叉式”充放電曲線

圖13 幾種不同材料組裝半電池的“循環式”充放電曲線

從扣式電池充放電曲線中可讀取大量數據信息，下面對部分數據的讀取和分析做簡單介紹。

正負極材料內鋰離子的脫嵌對應了充放電曲線上的平臺或斜坡區域（以及循環伏安曲線和微分差容曲線中的氧化還原峰），根據每個平臺區域的變化可分析研究材料的電化學反應行為。通常充電和放電的電位平臺或斜坡的數量相同，若充電和放電的總容量相同，但對應的每個平臺/斜坡的容量有差異，則說明材料嵌脫鋰的熱力學反應路徑或嵌脫鋰動力學特性有顯著差異。圖14為典型的石墨負極材料的充放電曲線。充放電曲線顯示，石墨/金屬鋰片半電池充放電時，石墨電極充放電過程中分別存在0.08/0.1 V，0.11/0.14 V以及0.2/0.22 V處3個對應明顯的充放電平臺，分別對應了3個鋰石墨層間化合物的兩相轉變過程[16]。平臺的起始點，對應相變的開始，平臺的終止點，對應相變的結束點，平臺行為意味著主體材料的電化學勢與離子在材料中的占有率無關。充放電曲線中的斜坡一般對應于固溶體反應或者電容行為[17]，斜坡行為意味著主體材料的電化學勢與離子在材料中的占有率直接關聯。因此，通過充放電曲線可以初步判斷材料在反應過程中有幾次相變反應，是兩相轉變反應還是固溶體、吸脫附電容行為，這可以輔助指導X射線衍射等結構研究[18-19]。在同一個SOC下，小電流充放電時，充電電位平臺與放電電位平臺電壓的中間值近似為熱力學平衡電位，用循環伏安曲線或微分差容曲線對應的氧化峰與還原峰的中間電位值更容易準確估算。全SOC下準確的熱力學平衡電位的測量建議采用低電流密度下的GITT方法。

圖14 石墨/金屬鋰片扣式半電池的充放電曲線

在全電池放電行為中，電池的放電電壓為正極材料的嵌鋰電壓減去負極材料的脫鋰電壓，因此負極的平均脫鋰平臺越高，則全電池的放電電壓越低。當負極材料的脫鋰平臺超過2.0 V時，全電池電壓已經很低了，此時測到的容量對全電池匹配和實際應用的意義不大，因為每種電器應用都有允許的下限電壓范圍，如一般用于消費電子電器的鋰離子電池的放電電壓截止到2.7 V。

能量效率即同一循環周次的放電能量與充電能量的比值，可以表示為=（DD）/（CC）×100%。在充放電曲線中，可近似于充放電曲線的積分面積差，該值的變化在“循環式”充放電曲線中更容易讀取。典型的鋰離子電池的能量效率在92%～95%，鋰硫電池和鋰空氣電池的能量效率則分別在80%和70%左右[20]。

對前5周充放電循環數據進行分析，可獲得首周放電容量、首周充電容量、首周庫侖效率、可逆容量、極化電壓和電阻大小、能量效率等信息。

首周充放電數據最為重要。首周放電容量可在曲線中直接讀取，用于分析首周循環后極片實際釋放容量。電池的首周充放電平臺奠定了后續循環的基礎，多數材料的結構是否穩定也是由第1周產生的，平臺長短也影響著鋰離子的嵌入脫出效率。第2周及后面的充放電容量也基本都是在首周放電容量的基礎上漲落。庫侖效率（即充放電效率）是指同一循環過程中電池放電容量與充電容量之比，即=D/C×100%，首周庫侖效率（即首效）則是電池在第1周的放電容量與充電容量的比值（正極材料=D1/C1×100%）。多款電池測試系統均可直接輸出該值，用于分析首周循環過程中活化及其它反應消耗的極片容量的情況，并且可直接表征材料結構的穩定性和動力學性能的優劣。

首次放電容量及首周庫侖效率可直接影響全電池的設計與材料的評價。前5周的庫侖效率一般會呈現先增后降或小幅波動的趨勢，這是由于在前幾周的循環過程中存在SEI膜生長、材料活化等反應引起活性鋰源的不可逆損失[21]。以新鮮負極材料的半電池為例，其首次放電容量則高于首次充電容量，即負極首次嵌鋰量要多于負極首次脫鋰量。如果測試結果相反，則可能是由于非新鮮極片或電池短路等因素導致。

最高容量，即測試電池充放電過程中表現出來的容量最高數值，一般出現在前五周的充放電過程中。有些負極材料的測試結果顯示可逆容量隨著循環次數增加而持續增長，這與材料的持續氧化、緩慢活化、SEI膜持續增長、其它材料逐漸參與氧化反應有關。這類負極材料對于鋰離子全電池的設計和應用來說是缺點而不是優點。一般而言，電池測量的可逆容量會在前5周趨于相對穩定，庫侖效率不能很快達到99.95%意味著界面或材料結構一直不穩定，這樣的材料用于全電池測試，相對于半電池，循環性會差很多。

3.1.3 極化情況分析

在鋰電池的充放電過程中，極化是不可避免的，尤其在高倍率充放電過程中。研究由極化引起的容量變化以及根據充放電曲線分析極化情況十分必要，相對于通過GITT、恒電壓間歇滴定（PITT）或電化學交流阻抗譜（EIS）分析電極過程動力學，通過充放電曲線獲取的動力學信息更加直觀。通常較低充放電倍率（如0.05 C、0.02 C、0.01 C或更低倍率，取決于材料）下測得的容量可基本忽視極化引起的容量變化。某倍率下測試得到的容量值與上述低倍率下測試的容量值差則可視為極化引起的容量變化。在恒流-恒壓（CC-CV）充電恒流放電曲線中，可通過充電曲線中恒流充電容量與恒壓充電容量所占總容量的比值來表征極化情況。恒流充電容量與總充電容量比值越低或恒壓充電容量與總充電容量比值越高，則極化越大。此外，充放電曲線中充放電平臺電壓差值增加也可反映出電極極化的增加，該差值在“循環式”充放電曲線中更易讀取?？赏ㄟ^在該曲線的充放電曲線的縱軸差距進行初步認識，如圖15中，富鋰正極材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）的充放電曲線，對比第1周循環曲線，第2周循環曲線的縱軸差距較小，表明極化下降。此外，該值也可由微分差容曲線中嵌脫鋰峰位的電位差進行表征，電位差變大，極化則增加[22]。

3.1.4 微分曲線分析

在對電池充放電曲線進行分析的過程中，為了方便充放電曲線的研究，將該曲線進行微分處理，將平臺區域轉換為峰曲線。通常使用的方法是微分差容曲線（incremental capacity，d/d.）和微分電壓曲線（differential voltage，d/d.）對充放電曲線進行分析[23]。

其中微分差容曲線，簡稱IC曲線（圖16[24]），應用較為廣泛，但由于存在電壓平臺（即d=0），數據處理需謹慎。曲線中的氧化峰和還原峰對應了充放電曲線中的充電平臺和放電平臺，并且與循環伏安曲線中的氧化峰和還原峰有著對應關系。根據該曲線中峰位，參考文獻可對氧化還原反應進行確認和判斷。將同循環周次充放電曲線都進行微分處理并進行峰位比對展現，對應氧化還原峰電位的中間值則為熱力學平衡電位。此外，峰位的移動和衰減也具有一定的對比價值。如峰位的移動則表明該電位附近的充放電平臺電位出現移動，與材料的結構變化引起鋰的嵌入脫出難易有關；某峰位的強度變化可表征該電位的充放電平臺長短變化。

圖16 幾種正極材料半電池的微分差容曲線[24]（版權屬于Journal of Power Sources雜志）

微分電壓曲線，簡稱d曲線，可根據文獻或實驗對比曲線峰位歸屬，并根據峰位的橫坐標來初步判斷不同材料或平臺的容量發揮情況，該曲線的數據處理較為方便，且多用于混合材料極片的分析中。圖17所示為硅碳混合材料/金屬鋰片半電池放電過程的d曲線，通過對比分析可以得出，在第三周循環放電容量中，硅材料發揮容量為293 mA·h，石墨發揮容量為697.6 mA·h，并且硅和石墨發揮容量隨循環均有所降低[25]。

需要說明的是，微分電容和微分電壓曲線的數據是否光滑、與充放電儀的電壓測量精度、電流控制精度、測試時的溫度穩定性、采樣點的密度都有影響。

圖17 硅碳混合材料/金屬鋰片半電池放電過程的微分電壓曲線[25]

3.2 倍率充放電測試數據分析

在上述文章中提及的3種倍率充放電測試，相同倍率充電不同倍率放電的測試應用較多，用于測試材料的放電功率特性；不同倍率充電相同倍率放電的測試多用于“快充”材料和技術；不同的倍率充放電測試多用于功率型電池材料的性能測試。

以相同倍率充電不同倍率放電的測試為例對倍率充放電測試數據分析進行介紹。如以0.2 C電流放電至3.0 V并計算（或在測試儀器配套軟件中讀?。┓烹娙萘?.2C；以0.5 C電流放電至3.0 V并計算放電容量0.5C；以1.0 C電流放電至3.0 V并計算放電容量1C；以2.0 C電流放電至3.0 V并計算放電容量2C。

容量比率計算如下：設定0.2 C放電容量比率為100%；0.5 C下的容量比率為0.5c=0.5C/0.2C×100%；1 C下的容量比率為1c=1C/0.2C×100%；2 C下的容量比率為2c=2C/0.2C×100%。

根據容量比率值對電池的倍率性能做出一定判斷，例如設定容量比率為80%為合格，而低于80%的放電倍率則不符合測試電池或材料的放電要求?？啥x最接近且高于80%容量比率的倍率為該電池或材料的最大放電倍率，注意這一定義和全電池測試時的脈沖功率不一樣。在許多公開發表的文章中，經?？梢钥吹阶髡邷y試了很高的倍率，而高倍率充放電時，容量保持率已經遠遠低于80%的0.2 C下的可逆容量，此時再宣稱倍率性能非常好，沒有太大意義。如圖18所示，該材料在超過3 C的倍率下充放電引起容量衰減加快[26]。特別需要指出，目前的高功率鋰離子電池可以實現15～20 C的放電，2000～4000 W/kg的脈沖放電能力。在對比說明材料倍率性能優異時，需要說清楚室溫下容量保持率在80%的最高倍率是多少，這樣便于比較。此外，扣式電池測試的倍率特性和全電池測試的倍率相比，有時各有優勢，取決于具體的設計，根據扣式電池的倍率測量結果下結論需要特別慎重，最好是從本征動力學參數上解釋清楚為何可以實現高功率，并計算出理論上的倍率特性。不同材料之間，不同團隊測試結果的倍率特性的比較需要在同一或接近的材料、電極、電芯的測試條件下比較。

除了容量比率的分析之外，對電池不同倍率充放電時的庫侖效率的分析也有著重要意義。當在某個倍率（一般為高倍率）充放電時，庫侖效率的變化可用于分析電池可能產生鋰枝晶以及電池體系動力學性能優劣。

研究電池材料不同倍率下的放電性能可使用電池的功率密度進行表征，即單位質量的活性材料放電時能量輸出的快慢。功率密度=/，式中，為電池放電平均電壓，為放電電流，為活性材料的質量。單位為W/kg或W/L。

在電池充放電過程中，某個放電平臺的中值電壓與開路電壓（熱力學平衡電壓）的差值被稱為放電過電位。不同倍率下的過電位分析對理解材料的動力學性能十分重要?？蓪⒉煌堵氏碌倪^電位與充放電電流進行對應作圖并分析。當過電位與電流呈線性關系，則動力學速率控制步驟為歐姆電阻；當過電位與電流的平方根呈線性關系，則為擴散控制過程；當過電位與電流的對數值呈直線關系，則為電荷轉移過程。圖19為LiFe1-xMnPO4材料不同電流密度下Mn放電平臺的過電位與電流的對應圖，根據該曲線可分析Mn的放電區域中，倍率控制為擴散控制，并非電荷轉移。同時，可從圖19(a)中得出，將近似的線性曲線進行反向延伸與原點接近（即電流密度平方根為0時，過電位也為0），表明該區域產生的過電位主要來源于電荷轉移，并非其它熱力學因素導致[22]。圖20中，顯示在電流密度為0時，仍有過電壓，則表明存在導致電位差的熱力學因素[27]。需要注意的是，某平臺的中值電壓通過微分曲線中的峰位進行讀取更為準確。

圖19 LiFe1?xMnxPO4/C電池中Mn區域過電位與不同電流密度對應曲線

圖20 不同溫度制備的MnO薄膜電極在不同電流密度下的過電位

3.3 充放電循環測試數據分析

對充放電循環測試曲線的展現可以是充放電行為隨時間的變化圖、性能參數（如充放電容量、庫侖效率等）隨循環周次的變化圖以及某些周次充放電行為的疊加圖。其中，充放電行為隨時間的變化圖是基礎輸出信息，另外兩個圖則是測試軟件處理或根據基礎輸出信息讀取的數據，并且性能參數隨循環周次變化圖以及某些周次的充放電行為疊加圖為常見的循環信息展示，如圖21所示。根據性能參數循環圖，可對電池充放電容量、庫侖效率變化進行直觀判斷，對電池循環性能以及可能存在容量“跳水”、電池析鋰等情況進行分析判斷。組裝后的扣式電池在循環過程中會存在一定的衰減情況，對電池容量衰減率隨循環周次變化的分析對材料性能分析、全電池設計、電池失效預判有著十分重要的意義。不同材料在相同循環周次或相同材料不同周次的剩余容量也是重要的對比參數。對不同循環周次、存在的容量“跳水”行為或其它異常循環行為的特征性周次的充放電曲線進行疊加對比，則可對材料循環過程中的充放電行為變化進行表征，如平臺的數量及長度變化等，可對材料結構在循環過程中可能產生的變化進行初步判斷。

需要提到的是，在循環性能中庫侖效率的展示需要對縱坐標范圍進行調整。大多數文獻中，庫侖效率在循環5周以后呈水平直線，接近100%。而在實際反應中，庫侖效率的變化較為微弱，而有效的展示有助于對材料性能及反應過程的精準理解。因此，建議將庫侖效率展示范圍定義在95%～105%之間，曲線波動較大的可適當放寬范圍，如圖22所示。文獻中往往展示的是0～110%，看起來庫侖效率接近100%，很穩定。但這種障眼法對于開發材料和電池來說會掩蓋電芯中發生的副反應及自放電行為，不利于全面解決問題，到了全電池測試問題會更明顯地暴露出來。除此之外，“交叉式”充放電曲線更容易展示庫侖效率，因此循環充放電曲線的重疊也可以用于直觀判斷電池庫侖效率的變化。

除了100%DOD放電循環模式之外，對電池進行滿充及不同DOD放電循環來對電池材料的非滿充滿放狀態下的循環性能進行測試也具有一定意義。通常為滿充后50%或70%DOD放電循環。

在長循環測試過程中，充放電曲線的變化規律可用于分析電池極化及材料性能的變化情況。另外，可在循環一定周期后（如循環50周）設置低倍率（低于0.1 C）充放電一次，用于分析極化等因素對循環性能的影響。

特別需要說明的是，在高倍率下測量的循環性不代表材料在低倍率下擁有同樣的循環性，高倍率充放電有時候意味著較淺的充放電深度，反而擁有更好的循環性。此外，不同的電位范圍測量獲得循環性差別很大。循環性需要結合高低倍率、高低溫條件來測量，討論循環性，也需要明確測量的條件，不能以偏概全。此外，扣式電池測量循環性，特別是半電池，往往還受負極金屬鋰循環性的顯著影響，這一點對于大容量的極片尤其突出。

3.4 高低溫充放電測試數據分析

在電池的高低溫充放電測試中，分析的數據包括電池容量變化、放電平均電壓變化、充放電曲線、循環數據以及極化分析等。其中對電池容量和平均放電電壓的變化分析對表征材料的高低溫性能最為直接、有效。放電效率測試則更多用于分析電池低溫性能。

在高溫下，影響材料中鋰離子擴散的動力學和熱力學性能會有所改善，但高溫會加速極片表面副反應，導致SEI膜增厚引起阻抗增加，降低鋰離子在活性材料表面的擴散速率。在低溫下，材料中鋰離子擴散的動力學和熱力學性能則會降低，加之電解液黏度增大，導致鋰離子擴散阻力更大。對比分析高低溫下鋰離子電池充放電曲線，對電池及材料可能存在的性能不足可以進行更充分的表征和分析；高溫測試還可以起到加速老化分析的作用。圖23為LiCoO2/MCMB電池在不同低溫條件下的充電和放電曲線[28]。充電曲線顯示隨充電溫度的下降，整體電池容量有所下降，且恒壓充電比例增高，即電池出現極化增大。放電曲線顯示隨放電溫度的下降，放電容量和放電平均電壓也隨之下降。負極表面易在低溫循環時形成鋰鍍層或鋰枝晶，這一點可根據低溫下充放電過程中庫侖效率的變化以及充放電曲線的異常進行分析和預判。

圖23 LiCoO2/MCMB電池在不同低溫條件下的充電（a）和放電曲線（b）[28]（版權屬于化學世界雜志）

3.5 分析數據與誤差

綜合上文所述，我們將部分主要分析數據進行總結，如表2所示。

電池材料或極片的測試過程中，誤差是難以避免的，表3總結了鋰離子電池在極片制備、電池組裝和電池測試過程中可能存在的誤差。測試人員在操作過程中，應盡量避免此類誤差，以達到準確測量鋰離子扣式電池性能的目的。

表2 充放電曲線獲得信息及數據分析總結

表3 鋰離子扣式電池中正負極材料充放電測試中存在的誤差及改進方法

4 總 結

在鋰離子電池的發展過程中，我們需要通過多種不同的測試方法來獲取大量的有效信息，以幫助我們更好地了解新材料和新電池體系各方面的性能。實驗室中鋰離子扣式電池的電化學測試是最為基礎、同時也是最重要的分析測試技術，包括充放電測試、循環伏安法測試以及阻抗測試等多種電化學測試方法以及原位的測試方法。其中充放電測試則是最為直接和普遍的測試分析方法，包括材料的容量、庫侖效率、過電位、倍率特性、循環特性、高低溫特性、電壓曲線特征等。在鋰離子電池以及其它鋰電池中，大量的研究結果和對材料性能、應用前景的判斷以及輔助全電池設計是基于扣式電池測試的結果，所以標準化和規范操作要求，盡可能減少測量誤差，規范測量條件十分重要。本文的一些具體的測試建議是基于我們扣式電池測量數據和全電池測量數據的對比而獲得的經驗介紹，未經過廣泛的討論和全面的論證。在此總結的目的，是希望并歡迎行業內專家批評指正，盡早形成標準或規范，以共同提高我國鋰離子電池及下一代電池及新材料研發的基礎研究數據的可靠性，提高電池材料開發的效率。此外，有了標準與規范，也有利于未來自動高通量扣式電池測試裝備的設計和改進。

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The assembly, charge-discharge performance measurement and data analysis of lithium-ion button cell

WANG Qiyu, CHU Geng, ZHANG Jienan,WANG Yi, ZHOU Ge, NIE Kaihui, ZHENG Jieyun, YU Xiqian, LI Hong

(Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In the initial stage of basic research and evaluation of products, electrochemical performances of lithium ion batteries are measured commonly through button cell. Accurate measurements and standard analysis are essential for screening materials, exploring new materials and batteries. Based on previous literature and practical experience, this paper summarizes the assembly, charge-discharge measurements and data analysis of lithium-ion button cell in laboratory.

lithium-ion batteries; button cell; assembly; charge-discharge performances; data analysis; standard

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0022

TM 911

A

2095-4239（2018）02-0327-18

2018-02-10；

2018-02-22。

國家重點研發計劃新能源汽車試點專項項目（2016YFB0100300，2016YFB0100100），中國科學院戰略性先導科技專項項目（XDA09010000）。

王其鈺（1987—），男，博士，研究方向為鋰電池失效分析與逆向分析，E-mail：qywang10@iphy.ac.cn；

李泓，研究員，研究方向為高能量密度鋰離子電池，固態電池及失效分析，E-mail：hli@iphy.ac.cn。