扣式锂电池cr2032，扣式电池组装流程图

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纽扣式锂电池充放电测试方法

纽扣电池充放电方式

纽扣式锂电池的充放电测试采用恒流充电（CC）、恒流恒压充电（CC-CV）、恒压充电（CV）、恒流放电（DC）对电池进行充电。并进行了分析。通过分析过程中数据的变化，可以表征容量、库伦效率、电池或材料充放电平台、电池内部参数变化等电化学性能参数。

步进充放电模式主要用于测试直流内阻、极化、扩散阻抗等性能。考虑到活性物质含量和极片尺寸对测试电流的影响，恒电流充电常以电流密度的形式表示，如mA/g（活性物质单位质量的电流）、mA等。 /cm2（单位极片面积的电流）。

充放电电流的大小常以充放电倍率来表示，即充放电倍率（C）=充放电电流（mA）/额定容量（mA·h）。额定容量1000mA/h，电流500mA，充放电倍率0.5C。目前电动汽车用锂离子电池的行业标准QCT/743-2006规定锂离子的典型充放电电流为C/3；经常进行充放电行为测试。 -离子测试电池正在进行充电/放电测试。

速率性能测试

有三种形式：同倍率恒流恒压充电、不同倍率恒流放电测试，表征和评价锂离子电池在不同放电倍率下的性能，或者包括采用同倍率恒流的方法。倍率恒流充电测试表征电池在不同倍率下的充电性能，而充放电测试则使用相同倍率进行。常用的充放电倍率包括0.02C、0.05C、0.1C、C/3、0.5C、1C、2C、3C、5C和10C。

在测试电池的循环性能时，主要需要确定电池的充放电模式。通过比较电池容量下降到某一规定值（通常为额定容量的80%）时的充放电次数或同一循环后电池的剩余容量来表征被测电池的循环性能。另外，电池测试环境对充放电性能也有一定影响。

实验设备介绍

目前国内外相关部门使用的电池测试系统有Arbin公司的电池测试系统、信威公司的电池测试系统、Blue Power公司的系列电池测试系统、MACCOR公司的电池测试系统等。参见表1。此外，Beit电池测试系统和Bitrode电池测试系统主要用于大容量电池、电池组等设备的测试和分析。有些电化学工作站也配备了纽扣式锂电池电化学性能测试功能，但由于通道设计、功能设计等原因，主要用于循环伏安测试分析、阻抗测试、用于短期充电/充电的电池。放电测试。电化学工作站设备制造商包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner（IM6）、上海辰华等。

参数

BT2000

基站4000

土地

4000系列

电流精度

(0.02%0.05%)FS

0.05%满量程

0.1%RD

+0.1%满量程

0.02%满量程

电压精度

(0.02%0.05%)FS

0.05%满量程

0.1%RD

+0.1%满量程

0.02%满量程

测试参数

电流、电压、容量、能量、库伦效率、交流阻抗

电流、电压、容量、能量、库伦效率

电流、电压、容量、能量、库伦效率

电流、电压、容量、能量、库伦效率、交流阻抗、电压差、温度

系统功能

恒流充放电、恒压充、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试、阻抗测试

恒流充放电、恒压充、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试

恒流充放电、恒压充、脉冲充放电测试、循环性能测试、倍率充放电测试

恒流充放电、恒压充电、恒阻放电、脉冲充放电、循环性能测试、阻抗测试、循环伏安测试

表1 几种电池测试系统主要性能比较

实验室锂电池测试过程中经常使用防爆箱和恒温器（图1）。实验室电池防爆箱主要用于测试大容量电池，同时也考虑一些特殊性能测试，如纽扣电池的高倍率、高温性能测试。大多数实验室恒温器的温度控制为25，实际温度与设定温度的温差精度不超过1。电池高低温性能测试中，最低温度可达70，最高温度可达150。考虑到宽温度范围的恒温器价格较高，用途更密集，建议将多个恒温器设置为不同温度进行密集测试。这意味着使用相同的验证材料组装多个纽扣电池并测试是否正常运行。高温和低温下的温度和性能。实验室测试常用的温度为25C、55C 和80C（图2）。选择恒温器时，请务必使用专为电池测试而设计的恒温器。这种类型的恒温器包括一个专门的绝缘端口，用于连接电池测试引线。将电池连接到测试夹具时，应使用绝缘镊子，并将测试电池整齐地放置在防爆箱或恒温器内。设置测试温度。达到设定温度后，启动电池。建议测试时在测试程序上标注测试信息（图3）。

图1 实验电池防爆箱及恒温器

图2 不同温度设置的实验室恒温器

图3 纽扣电池在恒温箱内安装示意图

充放电测试的常规实验程序

将测试电池安装到测试装置上，并将其置于（251）的测试环境中。设置程序放置10分钟，以1.0C恒流充电至4.2V，然后恒压充电直至电流降至0.05C，然后停止充电，放置5分钟，然后放电。以1.0C至3.0V恒流重复上述充放电5至10次。

以上测试参数为传统完整电池测试参数，一般正极材料/金属锂纽扣电池电压范围为3.0~4.3V，负极材料/金属锂纽扣电池电压范围为0.005~1.0V，特殊可基于高压正极材料（如高压钴酸锂、尖晶石镍锰酸锂、富锂锰基层状氧化物）或其他正极材料（如磷酸铁锂材料）。由于电极材料的特性以及电解质和固体电解质的耐受性，氧化电压在电压范围内调整，其他参数保持不变。负极材料/金属锂纽扣电池和无锂正极材料（例如MnO2）/金属锂纽扣电池在测试过程中首先放电至最低电压窗口，然后充电。注意，目前很多文章中负极材料的测试范围是0.005到3.0V，但对于全电池测试，一般可用的电压范围对应负极半电芯测试，实际不要超过。例如，对于石墨、硅等负极材料，可用电压范围为0.0050.8V，对于钛酸锂等负极材料，可用电压范围为1.21.9V。因此，根据产品的不同，完美的电池无法展现出在宽电压范围内可以获得的高容量和高一次库仑效率，没有太大的实际意义。对于软碳或硬碳负极材料，或者目前正在开发的复合金属锂负极材料，放电终止电压可以更低，例如0mV或50mV，在某些情况下需要特殊分析。对于大多数阳极材料的半电池测试，建议使用0.005 至1.0 V 的控制电压范围。超出此电压范围，应在结果描述和应用角度描述中特别说明，避免夸大结果。

在测试电池材料的实际容量时，尽量使用较小的充放电倍率，以减少因极化而产生的容量误差，获得电池的真实容量。一般选择0.1C的速率进行测试。

将卸扣电池安装到测试设备中时，操作人员必须佩戴绝缘手套、面罩和护目镜。由于测试通道数量较多，必须对测试单元和测试通道进行专门标记，在正面张贴醒目的标签和注释。为防止其他设备误操作，禁止操作相关设备。

充放电循环测试的常规实验程序

在测试电池的循环性能时，您可以根据上述充放电测试（第2 节）增加循环次数，并比较相同循环次数后的容量保持率。或者，重复充放电循环，求出连续两次放电容量小于初始放电容量80%时的循环次数。

高低温测试的常规实验室程序

在锂离子电池的高低温性能测试中，高温性能测试通常设置在45、55、80或更高，低温性能测试通常设置在0。-10C、-20C、-30C 或-40C，测试程序与第2、3 和4 节中的相同。由于测试数据必须与室温下的数据进行比较，因此在进行高低温测试（即第2章的测试内容）之前必须进行室温充放电测试。进行放电效率测试时，在室温（251）下以恒流恒压（CC-CV）模式将电池充电至SOC100%，然后在不同温度下放置，然后进行恒流放电。受到推崇的。 30 分钟（直流电）。

基础数据分析

电压分析

组装好的锂离子电池的开路电压是指外电路无电流流过时正负极之间的电位差，可用万用表直接测量（精度0.1mV以上，精密为0.1 mV 或更高）。建议使用内阻较高的专用电压表，防止自放电，或者连接到电池测试系统后直接读取数值。这个值只是电池组装后的初始开路电压，充满电时的开路电压必须使用恒电流间歇滴定（GITT）方法来测量，这将在下一篇文章中介绍。工作电压是指电流流过外部电路时正极和负极之间的瞬时电位差，直接反映在电池测试系统数据中。工作电压U=E0IRi，其中E0为热力学平衡电压，Ri为纽扣电池内部或与纽扣电池接触的比电阻（欧姆电阻、电荷转移电阻、某些结构部件的扩散电阻等），I为测试电流。工作电压与电流的大小有关。

放电平均电压分析需要对曲线进行数学处理。

其中Qmax是曲线内的放电容量，E是放电曲线的纵坐标电压。

产能分析

电池容量是表示锂离子电池性能的重要性能指标之一，它表示锂离子电池在特定条件下所储存的电量，通常以A·h（安培小时）或mA来衡量h.以毫安时为单位表示（1A·h=1000mA·h），获取锂离子电池容量参数的主要方法是电池从100%SOC额定到0% SOC. 是放电到时电流随时间的积分。 （即在测试电压范围内），即

其中，Q为电池容量（Ah），I为电流（A），t为测试时间（h）。 1 毫安等于3.6 库仑。一般情况下，容量数据可以通过测试系统软件直接读取。

对测试电池材料的容量分析通常需要确定三个数据：首次充电容量、首次放电容量（正极材料）和可逆容量。

A。初次充电容量是锂离子电池第一次充电结束时的充电容量。

b.初次放电容量是指锂离子电池在初次放电结束时的放电容量。

c.可逆容量是指电池循环稳定后的容量值（常温下的测试值也称为额定容量），一般选择3~5周后的放电容量，但如果在某些情况下，可以需要选择放电容量。 10周后的放电容量。

在实际应用中，对测试材料或极片的克容量、表面积和体积容量的分析更具信息性。例如，克容量为活性物质单位质量的放电容量，C=Q/m，表面积为测试电极片单位面积的放电容量，C=Q/S，体积容量为放电能力。电极片单位体积的电容，C=Q/V。其中C是放电比容量mA h/g（毫安时每克）、mA h/cm2（毫安时每平方厘米）或mA h/cm3（毫安时每立方厘米），Q是放电容量。 mA·h（毫安时），m为活性物质的质量g（克），S为测试电极片的面积cm2（平方厘米），V为测试电极片的体积cm3（立方厘米）厘米）。虽然克容量参数可以更直观地比较测试材料的性能，但表面电容和体积电容可以作为测试材料实际应用以及正负极容量匹配时的参考值。发表文章时，我们建议您同时提供三类具体容量信息：

纽扣电池数据还可以评估正极活性材料的能量密度(W)。这是指每单位质量的正极活性物质能够储存和释放的能量。 W=EQ/m，乘积：平均放电电压和克容量常用的单位是W·h/kg（常称为比能量），其中还包括体积能量密度W·h/L。一般情况下，正极活性物质在电芯中的质量比例为30%~50%，具体比例取决于正极材料的压缩密度和真密度。因此，根据正极活性物质的能量密度，也可以大致估算出相应的成品电池的能量密度，所以如果没有条件开发成品电池，但想要评估成品电池的能量密度，正极活性材料，对您有帮助。调整阴极材料并预测电池能量密度。

充放电曲线分析

充放电曲线反映了电池材料的充放电行为，纽扣电池充放电曲线的分析对于了解材料性能和电化学行为极为重要。电池充放电曲线可对特定材料的特性行为进行有针对性的分析。充放电曲线有几种不同的表示形式，包括比较常见的“十字形”曲线（图1）和“循环”曲线（图2）。

图1 由几种不同材料组装而成的半电池的“交叉”充电和放电曲线。

图2 由几种不同材料组装而成的半电池的“循环”充电和放电曲线。

从纽扣电池的充放电曲线中可以读取到很多数据信息，这里我们简单介绍一下如何读取和分析其中的一些数据。

图3 石墨/金属锂板扣式半电池充放电曲线

正极和负极材料中锂离子的脱附对应于充放电曲线的平台或斜坡区域（类似于循环伏安曲线和微分容差曲线的氧化还原峰）。检查每个平台区域变化时的电化学反应行为。通常，潜在的充电和放电平台或斜坡的数量是相同的。如果总充放电容量相同，但对应的各个平台/斜坡的容量不同，则表明存在热力学反应途径或嵌锂。学术性质存在重大差异，例如材料的附着和分离能力。图3显示了典型石墨负极材料的充电和放电曲线。充放电曲线显示，石墨/金属锂片半电池充放电时，石墨中存在0.08/0.1 V、0.11/0.14 V、0.2/0.22 V 3个对应的明显充放电平台。电极。如图所示。研究了三种锂-石墨层间化合物的两相转变过程。平台的开始对应于相变的开始，平台的结束对应于相变的结束。平台行为意味着主体材料的电化学势与相变无关。离子在材料中的占据情况。充放电曲线的斜率通常对应于固溶反应或电容行为，这意味着主体材料的电化学势与材料中离子的占据直接相关。因此，通过充放电曲线可以首先判断材料在反应过程中发生了多少次相变，是两相变反应还是固溶体，吸附和脱附电容行为，这将有助于指导你。结构研究，例如X 射线衍射。相同SOC下小电流充放电时，充电电位表电压与放电电位表电压之间的中间值近似为热力学平衡电位，氧化峰与还原峰之间的中间电位值即为热力学平衡电位。平衡电位. 对应于通过使用循环伏安曲线或微分电容曲线可以促进准确的估计。为了在最大SOC 下进行准确的热力学平衡电位测量，我们建议在低电流密度下使用GITT 方法。

电池在完全放电操作时，电池的放电电压为正极材料的嵌锂电压减去负极材料的脱锂电压，因此负极的平均脱锂平台越高，放电越低.马苏。充满电时的电池电压。当负极材料脱锂平台超过2.0V时，电池的总电压已经很低。每个电气应用都有一个可接受的较低电压范围，因此此时测量的容量对于完美的电池匹配或实际使用意义不大。家电常用的锂离子电池放电电压降至2.7V。

能量效率是同一周期内放电能量与充电能量的比值，可表示为=(EDQD)(/ECQC)100%。对于充放电曲线，可以通过充放电曲线的积分面积差来近似，而对于“周期性”充放电曲线，该值的变化更容易读取。典型的锂离子电池的能量效率为92%至95%，而锂硫电池和锂空气电池的能量效率分别约为80%和70%。

通过分析前5周的充放电循环数据，可以获得首周放电容量、首周充电容量、首周库仑效率、可逆容量、极化电压和电阻大小、能量效率等信息。可以得到它。

第一周的充放电数据是最重要的。从曲线上可直接读取首圈放电容量，并可用于分析极片首圈后的实际放电容量。第一周的电池充放电平台为后续循环奠定了基础。大多数材料的结构稳定性也在第一周内确定。平台长度也会影响锂离子的嵌入和脱嵌效率。第二周以后的充放电容量基本上根据第一周的放电容量而增减。库仑效率（或充放电效率）是指电池在同一周期内放电容量与充电容量的比值，即=QD/QC100%。是第一周的电池性能。放电容量与充电容量之比（正极材料=QD1/QC1100%）。各种电池测试系统都可以直接输出这个值，可以用来分析在第一次循环过程中活化和其他反应所消耗的极片容量，并且可以直接表征材料的结构稳定性和动态性能的质量。

初始放电容量和首次循环库伦效率可以直接影响完整的电池设计和材料评估。前5周库仑效率一般呈现先上升后下降或小幅波动的趋势。这是由于最初几周内SEI 膜生长和材料活化等反应导致活性锂源不可逆损失。骑自行车。以采用新型负极材料的半电池为例，初始放电容量高于初始充电容量。即，负极的初始嵌锂量大于负极的初始脱锂量。如果测试结果为阴性，则极片不是新的或电池短路等因素可能是罪魁祸首。

最大容量，即测试电池在充放电过程中显示的最高容量值，通常出现在充放电的前五周内。一些负极材料的测试结果表明，可逆容量随着循环次数的增加而持续增加。这与材料的持续氧化和缓慢活化、SEI膜的持续生长以及其他材料的逐渐卷入有关。通过氧化反应。对于锂离子完整电池的设计和应用来说，这种类型的阳极材料更多的是缺点而不是优点。一般来说，电池测量的可逆容量在前五周内趋于相对稳定。库仑效率不会立即达到99.95%。这意味着界面或材料结构不稳定。此类材料用于完整目的。与半电池测试相比，电池测试的周期性要差得多。

偏振分析

图4 富锂正极材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）充放电曲线

锂电池在充放电过程中，特别是快速充放电过程中，极化是不可避免的。与通过GITT、恒压间歇滴定（PITT）或电化学阻抗谱（EIS）分析电极过程的动力学相比，有必要研究极化引起的电容变化并根据充放电曲线分析极化）因此，从分析充放电极化所需的曲线中获得的速度信息更加直观。通常，在较低充电/放电速率（例如，低于0.05C、0.02C、0.01C，具体取决于材料）下测量的电容允许由极化引起的电容变化基本上可以忽略不计。在恒定速率下测试的电容值与在上述低速率下测试的电容值之间的差异可以被视为由于极化而导致的电容变化。恒流-恒压（CC-CV）充电在恒流放电曲线中，极化情况可以通过充电曲线中恒流充电容量和恒压充电容量与总容量的比值来表征。恒流充电容量占总充电容量的比例越低或恒压充电容量占总充电容量的比例越高，极化越大。此外，充放电曲线中增加的充放电平台电压差也可能反映了电极极化的增加，这使得这种差异在“周期性”充放电曲线中更容易读取。从充放电曲线纵轴的差异可以初步了解，图4为富锂正极材料（Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2）的充放电曲线。与第一周期的周期曲线相比，可以看出第二周期的周期曲线纵轴上的差距更小，极化减小。该值还通过微分容差曲线中锂的插入峰和脱附峰之间的电势差来表征，极化随着电势差的增加而增加。

微分曲线分析

在分析电池充放电曲线的过程中，我们对曲线进行微分，并将平台区转化为峰值曲线，以方便充放电曲线的研究。常用的方法是差分电容曲线（增量电容，dQ/dV vs.V）和差分电压曲线（差分电压，dV/dQ vs.Q）来分析充放电曲线。

图5 几种正极材料的半电池微分耐受曲线

其中，被称为IC曲线的微分容差曲线（图5）被广泛使用，但由于存在电压平台（dV=0），因此处理数据时必须小心。曲线中的氧化峰和还原峰对应于充放电曲线中的充电平台和放电平台，并且与循环伏安曲线中的氧化峰和还原峰具有对应关系。通过该曲线的峰值位置可以确认并确定氧化还原反应。对同一循环的充放电曲线进行微分并比较并显示峰位置，氧化还原峰电位对应的中间值成为热力学平衡电位。峰值位置偏移和衰减也有一定的比较价值。例如，峰值位置的偏移表明该电位周围的充放电平台电位发生了偏移，这与材料结构变化导致锂嵌入和释放的困难有关，并且与强度的变化有关的物质。峰值位置可以代表该电势的充电和放电平台长度的变化。

图6 硅碳杂化材料/金属锂片半电池放电时的电压差曲线

差分电压曲线，称为dV曲线，可以基于文献或实验中比较曲线的峰值位置的分配，并基于峰值位置的横坐标，可以预先确定不同材料或平台的电容性能。该曲线比较方便，主要用于极片分析中的混合材料。图6为硅碳杂化材料/金属锂片半电池放电过程的dV曲线，通过对比分析可以得出，硅材料在第三次放电容量时表现出293mA的容量。 我可以。 h，石墨的容量为293 mA·h，变为697.6 mA·h，并且硅和石墨的容量都随着循环而减小。请注意，差分电容和差分电压数据是否平滑会影响电压测量精度、电流控制精度、测试时的温度稳定性以及充放电设备采样点的密度。

参考：

[1]吴玉平，等.锂离子电池：的应用与实践[M]。

[2]王启宇，等.锂离子纽扣电池组装、充放电测量及数据分析[J].

[3]王启宇，王硕，张杰男，等.锂离子电池失效分析综述[J].

[4] 张勇，吴兴兵，王丽珍，等，扣式锂离子电池制造工艺研究[J].

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