專利名稱：碳負(fù)極材料電化學(xué)性能快速測(cè)試工藝的制作方法
碳負(fù)極材料電化學(xué)性能快速測(cè)試工藝
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳負(fù)極材料的電化學(xué)性能測(cè)試方法，特別是涉及一種可簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確測(cè)試的碳負(fù)極材料電化學(xué)性能快速測(cè)試工藝。
背景技術(shù)：
碳負(fù)極材料具有典型的層狀結(jié)構(gòu)特征，在石墨層面內(nèi)，碳原子呈環(huán)狀六角形排列并向二維方向延伸，在同一層面間的每個(gè)碳原子與其相鄰的三個(gè)碳原子，以Sp2雜化的強(qiáng)O鍵結(jié)構(gòu)形式存在，結(jié)構(gòu)非常的穩(wěn)定；在石墨層與層之間，碳-碳之間僅以弱的范德華力(Vander Waals)結(jié)合,層面間距大約為0. 34nm。由 于石墨層之間的結(jié)合力薄弱，且空間較大，容易插入其他金屬或非金屬分子、原子、離子或離子團(tuán)，形成石墨層間化合物。因此，碳負(fù)極材料被廣泛地用作鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)。研究表明，作為鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)的碳負(fù)極材料的電化學(xué)性能的好壞，直接關(guān)系到電池的設(shè)計(jì)、容量、壽命、充放電特性等。對(duì)碳負(fù)極材料的生產(chǎn)廠家來說，準(zhǔn)確測(cè)試和了解用作電池材料的碳負(fù)極材料的電化學(xué)性能，對(duì)材料的開發(fā)、生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制都是非常重要的。再者，對(duì)鋰離子電池生產(chǎn)廠家來說，引入一款新的電池活性材料，需要對(duì)其基本的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，才能更好的指導(dǎo)下一步的應(yīng)用，所以具有同樣重要的意義。另一方面，由碳負(fù)極材料制備的半電池(紐扣電池)主要表征材料的首次充放電克比容量和首次充放電效率，相對(duì)全電池可縮短測(cè)試周期、節(jié)約評(píng)估成本，為應(yīng)用于全電池負(fù)極提供可靠的參考依據(jù)。半電池以被測(cè)試的碳負(fù)極材料作正極活性物質(zhì)，以金屬鋰片作負(fù)極活性物質(zhì)，通過測(cè)定半電池的首次充放電容量和首次效率，可測(cè)定被測(cè)試的碳負(fù)極材料的電化學(xué)性能。碳負(fù)極材料半電池一般的測(cè)試工藝為0. 05C放電，0.1C充電，測(cè)試時(shí)間約需要34小時(shí)，這種測(cè)試工藝相對(duì)材料廠家和鋰離子電池廠家來說，周期較長，且成本高，常常很難滿足來料檢驗(yàn)需求。同時(shí)，以碳負(fù)極材料為正極的半電池，從組裝的角度來說，相對(duì)其他材料要難很多，成功率降低了 50%。因?yàn)殇囯x子往碳負(fù)極材料嵌入時(shí)，過量的鋰離子會(huì)在碳負(fù)極材料表面析出；當(dāng)過量越多時(shí)，析出的鋰越多，就會(huì)慢慢生長成鋰枝晶，容易刺穿隔膜導(dǎo)致短路。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在解決上述問題，而提供一種可簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的測(cè)試碳負(fù)極材料電化學(xué)性能，同時(shí)可有效降低碳負(fù)極材料電化學(xué)性能的測(cè)試成本碳負(fù)極材料電化學(xué)性能快速測(cè)
試工藝。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種碳負(fù)極材料電化學(xué)性能快速測(cè)試工藝，該工藝包括如下步驟a、將待測(cè)碳負(fù)極材料與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和增稠劑制成的電極片敷料按0.6 1.Og/dm2，優(yōu)選0. 8g/dm2的面密度均勻涂布在銅箔上，烘干后形成電極片。
b、將電極片按1.1 1. 5g/cm3,優(yōu)選1. 35 g/cm3的壓實(shí)密度進(jìn)行棍壓并裁切成半電池所需的電極片，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下，以70 90°C的溫度烘烤8 12小時(shí)；壓實(shí)密度偏小，顆粒間的接觸不好，電子的移動(dòng)距離增大，致導(dǎo)電性就不好，內(nèi)阻增大，隨之極化容量損失增大。壓實(shí)密度偏大，會(huì)使電解液較難浸潤，而且會(huì)使極片變形甚至斷裂，影響容量發(fā)揮。所以，不管壓實(shí)密度偏大或偏小，都不利于鋰離子的脫嵌。而本發(fā)明選用合適的壓實(shí)密度區(qū)間，極片平整不變形、完好不掉粉。C、將半電池組件按正極殼、電極片、隔膜、鋰片、墊片、負(fù)極蓋的順序組裝，在70 85MPa，優(yōu)選80MPa的壓力下封口，形成半電池；如封口壓力偏小，會(huì)使極片、隔膜和鋰片等組件接觸不緊密，鋰離子移動(dòng)距離增大，內(nèi)阻增加，隨之極化容量損失增大；再者可能導(dǎo)致封口未完全封好，出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。如封口壓力偏大，極片、隔膜和鋰片等組件接觸過緊密，20 y m的隔膜易被刺穿，直接導(dǎo)致電池短 路。上述步驟a中的面密度和封口壓力，可保證極片、隔膜和鋰片等組件能緊密的接觸。d、通過測(cè)試柜對(duì)半電池進(jìn)行測(cè)試，正常組按0. 05C放電至0. 005V,0.1C充電至
2.OV的條件，測(cè)試一次或循環(huán)測(cè)試多次；實(shí)驗(yàn)組按0. 05C放電至0. 005V,0. 2C充電至2. OV的條件，測(cè)試一次或循環(huán)測(cè)試多次，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判定碳負(fù)極材料的首次充放電克比容量和首次充放電效率是否符合要求。該步驟利用了倍率放電的特性，鋰在天然石墨材料中的擴(kuò)散系數(shù)為1.9X 10_ncm2/s,鋰在人造石墨材料中的擴(kuò)散系數(shù)為1. 24X 10_9cm2/s,與無定形碳如鹿糖熱解炭及樹脂熱解炭比較，鋰在人造石墨的擴(kuò)散要容易得多。該步驟中，充放電制式是0. 05C放電至0. 005V,0. 2C充電至2. 0V,而一般的充放電制式是0. 05C放電至0. 005V,0.1C充電至2. 0V。可見，雖放電倍率是一樣的，保證了碳負(fù)極材料表面能形成穩(wěn)定的SEI膜，但充電倍率比0.1C增大了 I倍，從而實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確且有效測(cè)量碳負(fù)極材料電化學(xué)性能，縮短測(cè)試周期的目的。步驟a中，所述碳負(fù)極材料為石墨或石墨化碳材料。所述石墨為天然石墨、人造石墨或復(fù)合石墨。步驟a中，所述電極片敷料是由天然石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、增稠劑、水按94. 7 95. 2:1. 5 1. 8:1. 0 1. 5:1. 8 2. 5:130重量比混合而形成。步驟a中，所述銅箔為雙光電解銅箔，其厚度為9 IOii m。步驟a中，烘干后的電極片的厚度為70 100 iim。步驟c中，半電池的組裝在手套箱中進(jìn)行，手套箱內(nèi)的氧含量< lOppm，水含量
^ IOppmo步驟d中，測(cè)試柜對(duì)半電池的測(cè)試循環(huán)測(cè)試兩次。本發(fā)明的貢獻(xiàn)在于，其有效解決了傳統(tǒng)碳負(fù)極材料的電化學(xué)性能測(cè)試工藝測(cè)試周期較長，成本高等問題。本發(fā)明通過對(duì)電極片敷料的面密度及壓實(shí)密度及半電池測(cè)試時(shí)的充放電制式的有效控制，大大縮短了測(cè)試周期，節(jié)省了測(cè)試成本。且測(cè)試結(jié)果與一般的測(cè)試工藝的結(jié)果一致，測(cè)試時(shí)間僅約為29小時(shí)。通過對(duì)壓實(shí)密度的控制，可使對(duì)輥后的極片不會(huì)因變形而影響組裝，同時(shí)又能使活性物質(zhì)能緊密接觸，保證了電子能順暢移動(dòng)。通過對(duì)面密度和封口壓力的控制，可使半電池各組件能更有效的接觸，但又不會(huì)發(fā)生物理形變致使短路。因此，本發(fā)明的碳負(fù)極材料電化學(xué)性能測(cè)試工藝具有簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。本發(fā)明的測(cè)試工藝適用于碳負(fù)極材料生產(chǎn)廠家進(jìn)行來料檢驗(yàn)，新產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)品質(zhì)控制，也適用于鋰離子電池廠對(duì)石墨或石墨化碳材料進(jìn)行來料檢驗(yàn)、工藝設(shè)計(jì)調(diào)整和品質(zhì)控制。

圖1是本發(fā)明的工藝中碳負(fù)極材料為天然石墨的充放電曲線圖。圖2是本發(fā)明的工藝中碳負(fù)極材料為人造石墨的充放電曲線圖。圖3是本發(fā)明的工藝中碳負(fù)極材料為復(fù)合石墨的充放電曲線圖。
具體實(shí)施方式下列實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步解釋和說明，對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成任何限制。 實(shí)施例11、準(zhǔn)備待測(cè)樣品取200克天然石墨(Natural Graphite)樣品、與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和增稠劑，按天然石墨導(dǎo)電劑粘結(jié)劑增稠劑水為95. 2:1. 5:1. 5:1. 8:130的重量比用SDF-400攪拌機(jī)混合，配制成均勻的漿料(懸浮液)。按0. 6g/dm2的面密度，通過DYG-135型涂布機(jī)均勻地涂布在9 ii m的雙光電解銅箔，優(yōu)選壓延銅箔上，烘干后形成約70 ii m厚的極片。將極片按1. 5g/cm3的壓實(shí)密度用邢臺(tái)輥壓機(jī)進(jìn)行輥壓后，用011.95mm的沖孔器將極片裁切成半電池所需的極片。在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下，通過真空烤箱在70°C溫度烘烤12小時(shí)，除盡極片中的水分后，稱量極片敷料的重量，并根據(jù)配方計(jì)算其活性物質(zhì)含量，待組裝。2、組裝將稱量好的極片轉(zhuǎn)入布勞恩手套箱中，注意控制手套箱的氧含量(lOppm，水含量< lOppm。按照正極殼一極片一隔膜一鋰片一墊片一負(fù)極蓋的順序組裝好，通過MSK-110液壓封口機(jī)在85MPa的壓力下封口，形成半電池。用酒精擦拭半電池表面，并記錄其編號(hào)。3、測(cè)試將組裝好的半電池上CT2001A測(cè)試柜測(cè)試，正常組按0. 05C放電至0. 005V，0.1C充電至2. OV的條件設(shè)置，循環(huán)2周。實(shí)驗(yàn)組按0. 05C放電至0. 005V,0. 2C充電至2. OV的條件設(shè)置，循環(huán)2周。測(cè)試結(jié)果見表I。表I天然石墨平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種碳負(fù)極材料電化學(xué)性能快速測(cè)試工藝，其特征在于，該工藝包括如下步驟 a、將待測(cè)碳負(fù)極材料與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和增稠劑制成的電極片敷料按O.6 1. Og/dm2的面密度均勻涂布在銅箔上，烘干后形成電極片； b、將電極片按1.1 1. 5g/cm3的壓實(shí)密度進(jìn)行輥壓并裁切成半電池所需的電極片，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)下，以70 90°C的溫度烘烤8 12小時(shí)； C、將半電池組件按正極殼、電極片、隔膜、鋰片、墊片、負(fù)極蓋的順序組裝，在70 85MPa的壓力下封口，形成半電池； d、通過測(cè)試柜對(duì)半電池進(jìn)行測(cè)試，正常組按O. 05C放電至O. 005V,0.1C充電至2. OV的條件，測(cè)試一次或循環(huán)測(cè)試多次；實(shí)驗(yàn)組按O. 05C放電至O. 005V,0. 2C充電至2. OV的條件，測(cè)試一次或循環(huán)測(cè)試多次，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判定碳負(fù)極材料的首次充放電克比容量和首次充放電效率是否符合要求。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟(a)中，所述碳負(fù)極材料為石墨或石墨化碳材料。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述石墨為天然石墨、人造石墨或復(fù)合石mO
4.如權(quán)利要求3所述的工藝，其特征在于，步驟(a)中，所述電極片敷料是由天然石墨、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、增稠劑、水按94. 7 95. 2:1. 5 ~1. 8:1. O 1. 5:1. 8 2. 5:130重量比混合而形成。
5.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟(a)中，所述銅箔為雙光電解銅箔，其厚度為9 10 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟(a)中，烘干后的電極片的厚度為70 100 μ m。
7.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟(a)中，所述電極片敷料的面密度為O.8g/dm2 ;步驟(b)中，電極片的壓實(shí)密度為1. 35g/cm3 ;步驟(c)中，所述封口壓力為80MPa。
8.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟(c)中，半電池的組裝在手套箱中進(jìn)行，手套箱內(nèi)的氧含量< lOppm，水含量< lOppm。
9.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟(d)中，測(cè)試柜對(duì)半電池的測(cè)試循環(huán)測(cè)試兩次。
全文摘要
一種碳負(fù)極材料電化學(xué)性能快速測(cè)試工藝，該工藝包括如下步驟a、將待測(cè)碳負(fù)極材料與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和增稠劑制成的電極片敷料按0.6～1.0g/dm2的面密度均勻涂布在銅箔上，烘干后形成電極片；b、將電極片按1.1～1.5 g/cm3的壓實(shí)密度進(jìn)行輥壓并裁切成半電池所需的電極片；c、將半電池組件按正極殼、電極片、隔膜、鋰片、墊片、負(fù)極蓋的順序組裝，在70～85MPa的壓力下封口，形成半電池；d、通過測(cè)試柜對(duì)半電池分正常組和實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試一次或循環(huán)測(cè)試多次，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判定碳負(fù)極材料的首次充放電克比容量和首次充放電效率是否符合要求。本發(fā)明可簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的測(cè)試碳負(fù)極材料電化學(xué)性能，同時(shí)可有效降低碳負(fù)極材料電化學(xué)性能的測(cè)試成本。
文檔編號(hào)G01N27/26GK103018301SQ20121054980
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者葉柏青, 蔣勇明, 匡春芳, 吳澤軼 申請(qǐng)人:深圳市金潤能源材料有限公司