想学锂电池？先从扣式电池的组装开始

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经过2年的学习和积累，锂电联盟会长特约讲师“锂电老李”推出了第一堂课《扣式电池的组装及性能测试全解析》，受到各位朋友的大力支持。现在将课程的相关文字参考资料分享给大家，相关视频讲解课程请前往公众号获取，希望能够对大家的学习和工作产生一定的帮助。

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本文主要对实验室组装扣式电池的流程进行介绍，主要参考北工业王琦的《锂离子模拟电池组装手册》、郑州轻工学院张勇等人的《扣式锂离子电池的制备工艺研究》以及一些网友意见和一些清华研友的工作经验。

首先说明一下，实验室所说的扣式电池一般都是指半电池，即以锂片为“负极”，我们自己做的极片为“正极”。所以，无论是正极还是负极材料，组装扣式电池的流程都是一样的。

一.扣式电池基本介绍

锂离子扣式电池主要由以下几部分组成：正极壳、负极壳、（正/负）极片、隔膜、垫片、弹片、电解液。

常用的扣式电池的电池壳为CR2032、CR2025、CR2016等，C代表扣电体系，R代表电池外形为圆形。前两位数字为直径（单位 mm），后两位数字为厚度（单位 0.1 mm），取两者的接近数字。例如 CR2032 的大略尺寸为直径 20 mm，厚度 3.2 mm。

1.1 电池壳

下图为CR2032扣式电池电池壳，正极壳较大，负极壳为表面有网状结构且较小，所以一般组装过程从负极壳开始。

图1 CR2032扣式电池正极壳（左），负极壳（右）

1.2 极片

极片的制备工艺对电化学性能能否充分发挥有重要影响，我们会在2.1中重点讲解，此处简要介绍。下图为正极材料所制备的极片。

图2 正极片（左）与铝箔（右）

正负极极片的制备流程相同，区别在于正极涂布在铝箔上，负极涂布在在铜箔上，这是为何呢？

首先，两者的导电性都相对较好，质地比较柔软，价格也相对较低。

其次，铝本身比较活泼，在低电位下，铝会出现嵌锂，生成锂铝合金，不宜作为负极的集流体。如果使用铝箔作为负极的集流体，铝会和锂形成合金，然后粉化，严重影响电池的寿命和性能。

最后，铜在高电位下容易氧化，不宜作为正极的集流体，铜表面的氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚时，阻抗会增加。同时锂不会与同在地点为下形成嵌锂合金。

什么样的极片才是好极片？

应该满足这几方面：（1）浆料涂布均匀，观察不到明显的厚度不均匀，特别薄的地方甚至能观察到亮色的铝箔；（2）极片保持完整圆形未受损坏，周围尽量没有毛刺；（3）极片涂布区域没有颗粒物并且没有明显的掉粉现象。

1.3 隔膜

实验室所用隔膜一般为Celgard2400或者Celgard系列其他产品，冲压成小圆片后使用，直径略大于正负极极片。可以根据电池性能要求不同选择隔膜，关于隔膜的选择和参数，请见后期关于锂电池隔膜的选择以及参数意义的介绍。

隔膜的作用是什么呢？

简单的说，如果没有隔膜，正负极就直接接触，也就是会发生短路，这也就是为什么有的电池中要抑制锂枝晶的产生，就是防止其刺破隔膜，引起局部短路，而造成安全事故。隔膜一般采用聚乙烯等高分子材料，不导电，其结构中有许多微孔，允许锂离子通过,虽然它是绝缘体，但“不允许电子通过的说法并不准确”。

1.4 锂片（即负极片）

负极片直径略小于负极壳直径，CR2032的锂片直径为15.8mm，对应的正极片也是15.8mm。值得注意的是： 锂片比较柔软，容易变形，所以在装电池前可以用正极壳（因为它比较大）将变形的锂片压平整。而且金属锂在空气中极易氧化变质，遇水容易爆炸，所以购买回来的金属锂片需要在手套箱中打开，打开时注意，不要损坏手套。

图3 适合CR2032电池使用的金属锂片

1.5 垫片

垫片为圆形的铝片，直径与锂片大小一样，实验中，可以根据需求购买不同规格和厚度等。

注意： 垫片、正负极壳等组件，在使用前要用酒精反复超声清洗，然后鼓风干燥箱烘干

图4 垫片

1.6 弹片（支撑片）

弹片主要是起到支撑电池的作用，如果没有弹片，在压电池的步骤中会把电池压的很扁，内部组件可能被压坏。弹片只在负极侧加，但是若正负极都加了弹片，压电池步骤中不能将扣电封闭，导致电解液与空气接触，而实验失败。

图5 弹片（支撑片）

1.7 电解液

不同的材料一般对应不同的电解液，在进行时实验时千万不要图省事将就，小批量的电解液可以找公司索要，一般都会给。个别特殊的电解液，如低温电解液等，可能需要购买，价格还不低。

二.扣式电池的组装

2.1 正极片的制备

极片的制备主要分为两个步骤：（1）浆料的制备；（2）涂布、干燥、压片等步骤。

2.1.1 浆料的制备（以磷酸铁锂为例）

浆料由溶剂、正极材料、导电剂和粘结剂组成。

实验室一般采用正极材料：导电剂：粘结剂的质量比为80：10：10 。当然，这个比例可以自由调节，但调整过程需要大量的试错。但一般来说，正极材料不低于75，导电剂和粘结剂不低于5。有时候为了达到高倍率性能，有报道中导电剂比例有达到40的情况。

若制备的正极材料较少，可以将三种物质按比例混合，用吸管假如逐滴假如NMP，然后小研钵中研磨，这个过程中要注意溶剂NMP的量，若NMP加入的过多，可以在红外红灯下适当烘干。

活性物质较多时，取0.4g活性物质，相应的导电剂和粘结剂的量为0.05g，使用20*20或者20*40规格的称量瓶，先后加入NMP、活性物质、导电剂和粘结剂，加入次序影响最终极片的制备质量。根据《扣式锂离子电池的制备工艺研究》以及一些研友的实验经验，按以下次序添加各物质，效果最好。

NMP和PVDF溶液的配制

首先，配制NMP和PVDF的溶液，这样在每次配制浆料时能节省很多时间，可以配制0.02g/ml、0.025g/ml和0.03g/ml的三种，选择合适自己材料的浓度使用。配制方法很简单，只需要将两种物质在广口瓶中混合就行，通过磁力搅拌，溶液中没有白色物质就行。需要注意的是：配制结束后，广口瓶要通过封口胶密封，因为NMP容易吸水或者变质。

浆料的配置步骤：

第一步：用移液枪量取2ml的0.025g/ml 的NMP/PVDF溶液，放入D15搅拌子进行磁力搅拌；

第二步：称取0.05g导电剂Super P缓慢加入称量瓶中，搅拌20min。加入过程中尽量不要使导电剂碰到上侧瓶壁，更不要因为加入的太快而使导电剂散出称量瓶。

第三步：称取0.4g活性物质，加入称量瓶中。注意事项同上，加入后搅拌4-5小时，搅拌时间不固定，以浆料粘稠状态为准。

另有报道，在磁力搅拌后，进行15min的超声搅拌，性能更好。

何种浆料状态为最好？

一般来说，轻轻晃动称量瓶，混合物既不是粘度很高无法流动，又不是像水一样易动而不挂壁即可。太稠可以加入一滴NMP继续搅拌一会儿，一般一滴就足够了。太稀可以将称量瓶放入鼓风干燥箱烘干一会儿。

也可使用王琦师兄的配料方式，不过这种方式耗时较长。

注意：第二三步的顺序尽量不要颠倒。

2.1.2 极片的涂布

一般使用刮刀和流延涂覆机，进行涂布，正极材料涂布在铝箔上，负极涂布在铜箔上。没有涂覆机的同学可以使用玻璃板和刮刀进行涂布。涂布过程比较简单，但是需要注意以下几点

（1）铝箔需要平整，要尽可能的减少褶皱；（2）涂布前要用酒精和脱脂棉仔细清洁铝箔和涂覆机平台；（3）脱脂棉清洁后要用卫生纸小心清洁一次，一来去掉可能存在的棉絮二来不要划伤铝箔。

2.1.3 极片的干燥和压片

之所以要单列一节，是因为这是个需要严格执行的过程，但是干燥温度可以有变化。另外,极片质量的好坏可以用掉粉程度来衡量,若掉粉容易,电池在循环过程中,活性物质会从铝箔上脱落,溶解在电解液里,隔膜会被染黑。

干燥的目的在于去除浆料中大量的溶剂NMP以及其中的水分，所以要经过鼓风干燥和真空干燥两个步骤。每个步骤的具体温度和时间，不同工作中有不同的报道，但需要注意：

（1）干燥NMP的温度不需要太高，但由于溶剂太多，需要较多的热量，所以干燥时间较长；

（2）由于水的沸点是100℃，所以鼓风干燥的温度需要较高，但由于水分含量较少，干燥时间可以缩短，在鼓风干燥时，可以设置两个温度段，每个温度时间不同，最高温度可以设置为100℃。另外负极的干燥温度应低于正极，有时候出现铜箔氧化的现象；

注意：干燥温度过高和时间过长，会出现严重的掉粉行为，关于鼓风干燥的温度，正极不应超过120℃，负极不超过90℃。

（3）鼓风干燥后，要经过真空干燥，温度一般设定为120℃，时间10小时左右。但不可以不经过鼓风干燥直接进行真空干燥，这样操作会导致NMP充满于真空干燥箱内，而使干燥效果不好。不经过真空干燥也是可以的，但是有条件的最好不要省略这个步骤。

2.1.4 压片

涂布后，干燥出的复合材料涂层比较疏松。若直接使用，被电解液浸润后容易脱落损坏。可采用对辊机或者压片机等进行压片处理，对辊机一般可将正极片涂层压制到15-60μm。压片机可以采用大约80-120kg/cm2压强进行压制。压片后的电极，稳定性、牢固性以及电化学性能都获得了改善，测试表现要好于不压片的样本。压片主要目的有两个：一是为了消除毛刺，使表面光滑、平整，防止装电池时毛刺刺破隔膜引起短路；二是增强极片的强度，减小欧姆阻抗。压力过大会引起极片的卷曲，不利于电池装配，压力过小又起不到压片的作用。

裁剪隔膜、极片以及活性物质含量计算的步骤在此忽略，较为简单，有问题请在材料人微信或者材料牛原网页留言。

2.1 扣式电池的组装

2.1.1 必备物品：

手套箱内：压片机(最好带数显)、镊子2把（至少有一把是塑料镊子）、药匙1把、电解液、锂片、磨口玻璃瓶(配胶头滴管)、注射器、干燥纸巾等清洁用品；

手套箱外：扣式电池壳、集电器、弹簧片（或泡沫镍）、正极片、隔膜片；

注意：电池组装部件在放入手套箱中之前，要进行4小时左右的真空干燥处理，温度不宜太高，可以设置在60-80℃温度。容量较大的手套箱可事先这些存储电池部件，更清洁。原料入进箱舱门后，严格按照操作规程进行排气-进气操作，至少三次。建议在手套箱内专门放一个小型操作台，以防试剂腐蚀手套箱。电解液对于手套和手套箱内壁的腐蚀比较严重，应该尽量避免操作失误。

2.1.2 确定水氧含量

一般的手套箱都有水氧含量的数显检测仪，布莱恩的手套箱水氧含量可以控制在低于0.05PPM，但不同手套箱的标准不尽相同。组装电池的过程，都在已经严格进行了排气-进气操作的手套箱中，严格隔绝任何可能的氧化、潮湿等干扰。若手套箱的水氧含量一直较高，应该检查手套是否破损或者对手套箱进行再生。

2.1.3 组装过程

扣式电池组装次序主要有两种，我们实验室一般习惯从负极壳开始，但也可以从正极壳开始，这个没有对错之分，全看个人习惯。

|负极壳|弹片|垫片丨锂片丨电解液|隔膜|电解液|正极片|垫片丨正极壳|

三.一些问题出现的原因

电池组装后，在测试时会出现一些问题，以下是可能遇到的问题以及部分解释

3.1 开路电压低的原因

（1）极片的毛刺穿破隔膜，造成电池短路；

（2）电池装配过程中，正负极偏移，导致短路；

（3）压电池步骤出错，导致电池装配不紧密，电池正负极外壳与正负极片虚接，造成短路。

3.2 电化学阻抗大

（1）导电剂添加量不够；

（2）隔膜的孔隙率小，使得电解液中的锂离子不能能够顺利通过；

（3）电解液分解，其中的锂盐减少。

电池的组装是一个熟能生巧的过程，前一两次装坏几个电池是一件很正常的事，不要灰心。

二，软包电池

软包电芯，其实就是使用了铝塑包装膜作为包装材料的电芯。相对来说，锂离子电池的包装分为两大类，一类是软包电芯，一类是金属外壳电芯。金属外壳电芯又包括了钢壳与铝壳等等，近年来由于特殊需要有的电芯采用塑料外壳的，也可以划为此类。

二者的差别除了外壳材料不同，决定了其封装方式也不同。软包电芯采用的是热封装，而金属外壳电芯一般采用焊接(激光焊)。软包电芯可以采用热封装的原因是其使用了铝塑包装膜这种材料。

铝塑包装膜

铝塑包装膜(简称铝塑膜)的构成见图，其截面上来看有三层构成：尼龙层、Al层与PP层。

三层各有各的作用，首先尼龙层是保证了铝塑膜的外形，保证在制造成锂离子电池之前，膜不会发生变形。

Al层就是一层金属Al构成，其作用是防止水的渗入。锂离子电池很怕水，一般要求极片含水量都在PPM级，所以包装膜一定能够挡住水气的渗入。尼龙不防水，无法起到保护作用。而金属Al在室温下会与空气中的氧反应生成一层致密的氧化膜，导致水气无法渗入，保护了电芯的内部。Al层在铝塑膜成型的时候还提供了冲坑的塑性，这个详见第3点。

PP是聚丙烯的缩写，这种材料的特性是在一百多摄氏度的温度下会发生熔化，并且具有黏性。所以电池的热封装主要靠的就是PP层在封头加热的作用下熔化黏合在一起，然后封头撤去，降温就固化黏结了。

铝塑膜看上去很简单，实际做起来，如何把三层材料均匀地、牢固地结合在一起也不是那么容易的事。很遗憾的是，现在质量好的铝塑膜基本上都是日本进口的，国产的不是没有，但质量还有待改进。

铝塑膜成型工序

软包电芯可以根据客户的需求设计成不同的尺寸，当外形尺寸设计好后，就需要开具相应的模具，使铝塑膜成型。成型工序也叫作冲坑(其实个人觉得应该是“铳坑”，但大家都这么写就随俗吧)，顾名思义，就是用成型模具在加热的情况下，在铝塑膜上冲出一个能够装卷芯的坑，具体的见下图。

铝塑膜冲好并裁剪成型后，一般称为Pocket袋，见下图所示。一般在电芯较薄的时候选择冲单坑(下图左)，在电芯较厚的时候选择冲双坑(下图右)，因为一边的变形量太大会突破铝塑膜的变形极限而导致破裂。

有时候根据设计的需要，会在气袋的位置再冲一个小坑，以扩大气袋的体积。

顶侧封工序

终于讲到正题了(你是跑题有多厉害!)，顶侧封工序是软包锂离子电芯的第一道封装工序。顶侧封实际包含了两个工序，顶封与侧封。首先要把卷绕好的卷芯放到冲好的坑里，然后沿虚线位置将包装膜对折，如下图所示。

下面这种图是铝塑膜装入卷芯后，需要封装的几个位置，包括顶封区、侧封区、一封区与二封区。下面分别进行介绍。

把卷芯放到坑中之后，就把整个铝塑膜可以放到夹具中，在顶侧封机里进行顶封与侧封了。顶侧封机是这样子的：

图中这种型号的顶侧封机带四个夹具，左边那个工位是顶封，右边那个工位是侧封。那两块黄色的金属是上封头，下面还有一个下封头，封装的时候两个封头带有一定的温度(一般在180℃左右)，合拢时压在铝塑膜上，铝塑膜的PP层就熔化然后黏结在一起了，这样就封装OK了。

侧封没有什么太多好说的(边电压神马的扯得太远就不讲了)，主要来说说顶封，顶封区域的示意图如下图所示。顶封是要封住极耳的，极耳是金属(正极铝，负极镍)，怎么跟PP封装到一起呢?

这就要靠极耳上的一个小部件—极耳胶来完成了。极耳胶具体的结构我不是很清楚，希望有懂行的人来补充。我只知道它也有PP的成本，也就是说在加热时能够熔化黏结。在极耳位的封装见下图中圆圈部分所示。封装时，极耳胶中的PP与铝塑膜的PP层熔化黏结，形成了有效的封装结构。

注液、预封工序

软包电芯在顶侧封之后，需要做X-ray检查其卷芯的平行度，然后就进干燥房除水气去了。在干燥房静置若干时间时候，就进入了注液与预封工序。

通过上面的介绍我们知道，电芯在顶侧封完成之后，就只剩下气袋那边的一个开口，这个开口就是用来注液的。在注液完成之后，需要马上进行气袋边的预封，也叫作一封。一封封装完成后，电芯从理论上来说，内部就是完全与外部环境隔绝了。一封的封装原理与顶侧封相同，这里就不赘述了。

静置、化成、夹具整形工序

在注液与一封完成后，首先需要将电芯进行静置，根据工艺的不同会分为高温静置与常温静置，静置的目的是让注入的电解液充分浸润极片。然后电芯就可以拿去做化成了。

上图是软包电芯的化成柜，其实就是一个充放电的装置，我找了好久没有找到带电芯的图片，大家想想一下电芯夹在上面的画面就OK了。化成就是对电芯的首次充电，但不会充到使用的最高电压，充电的电流也非常小。

化成的目的是让电极表面形成稳定的SEI膜，也就是相当于一个把电芯“激活”的过程。在这个过程中，会产生一定量的气体，这也就是为什么铝塑膜要预留一个气袋。有些工厂的工艺会使用夹具化成，即把电芯夹在夹具里(有时候图简便就用玻璃板，然后上钢夹子)再上柜化成，这样产生的气体会被充分地挤到旁边的气袋中去，同时化成后的电极界面也更佳。

在化成后有些电芯，尤其是厚电芯，由于内部应力较大，可能会产生一定的变形。所以某些工厂会在化成后设置一个夹具整形的工序，也叫作夹具baking(烘烤)。

二封工序

刚才说了化成过程中会产生气体，所以我们要将气体抽出然后再进行第二次封装。在这里有些公司成为两个工序：Degassing(排气)与二封，还有后面一个剪气袋的工序，这里我就一起笼统的都称为二封了。

二封时，首先由铡刀将气袋刺破，同时抽真空，这样气袋中的气体与一小部分电解液就会被抽出。然后马上二封封头在二封区进行封装，保证电芯的气密性。最后把封装完的电芯剪去气袋，一个软包电芯就基本成型了。二封是锂离子电池的最后一个封装工序，其原理还是跟前面的热封装一样，不再赘述。

后续工序

因为题主问的是封装，后面的跟封装关系不大，所以二封之后的工序我就一起说了。

二封剪完气袋之后需要进行裁边与折边，就是将一封边与二封边裁到合适的宽度，然后折叠起来，保证电芯的宽度不超标。折边后的电芯就可以上分容柜进行分容了，其实就是容量测试，看电芯的容量有没有达到规定的最小值。

从原则上来说，所有的电芯出厂之前都需要做分容测试，保证容量不合格的电芯不会送到客户手中。但在电芯生产量大的时候，某些公司会做部分分容，以统计概率来判断该批次电芯容量的合格率。

分容后，容量合格的电芯就会进入后工序，包括检查外观、贴黄胶、边电压检测、极耳转接焊等等，可以根据客户的需求来增减若干工序。最后就是OQC检查，然后包装出货了。

视频高能！长针刺入磷酸铁锂、三元锂、刀片电池，结果

视频加载中...

视频很高能，显示了如下结果：

三元锂电池：针刺之后直接爆炸。充分展示了自己的性格特点：能量密度高，脾气也大。

磷酸铁锂电池：针刺后内部温度急剧升高，泄热阀打开，避免了爆炸危险，但表面温度也非常高。视频显示，电池表面铁碗里的生鸡蛋被煎熟了。

刀片电池：针刺之后电池无明显变化，在视频3分13秒处，电池表面铁碗里的生鸡蛋，依然呈液体状态，没煎熟。

这个视频对比显示出，刀片电池在散热方面有巨大优势。

不过，也有个很大的疑问。

在针刺磷酸铁锂电池之前，电池表面就放了生鸡蛋。从针刺前到针刺后，鸡蛋一直都在。

但在针刺刀片电池之前，电池表面并没有放生鸡蛋，直到针刺之后（视频3分13秒处），刀片电池表面才出现了生鸡蛋。会不会是实验者等刀片电池冷却后，才把鸡蛋放上去的？这个有待观察。

疫情期间，买了个额温计，看见什么都想测一下温度。我真想拿额温计现场测试一下。

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