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锂電池工藝疊片系數全解
全锂電池工艺叠片系数数据的重要性对电池研发不言而喻。那么如何做全锂電池工艺叠片系数数据？很多科研者并未曾深入到电芯生产的第一线长时间工作，故在此方面并无很多经验。即使懂一些基本工艺，但是对于实验室研发的不同材料，工艺参数又是千差万别。由于软包电池市场比重大，更能反映电池材料的性能，因此我们只关注软包全电池制备。但制备商品化电池工步非常多，设备复杂，单人基本没可能完成全部操作，因此大幅度简化，像在实验室制备扣式电池一样，让单人就能完成操作。
做软包锂電池是一个系统的工程，是由一片正极和一片负极构成且极片都是单面涂覆。此次先从软包电池制备的后半段工艺（也就是说当制备出活性材料，经过一系列的前段工艺混料、涂覆、辊压、烘干之后）且以活性材料为对象进行讲述，做活性材料、隔膜和电解液方面研究的读者都可借鉴。
一、極片成型
比如某電池型號的LiCoO2正極片和石墨負極片。大致參數如下：
容量平衡系數：1.1
电极压实：正极 4g/cm3；负极压实： 1.58g/cm3
電極厚度：正極壓前138μm/壓後128μm；負極壓前163μm/壓後136μm
正極活性物質負載量爲：21.6mg/cm2
先解釋下何爲容量平衡系數
容量平衡系數=單位面積的負極容量/單位面積的正極容量，平衡系數設計要求大于1.0，也就是說同樣面積的正負極，負極的容量足夠滿足某電位範圍內（本文電池體系的電位範圍是3.0-4.2V）正極中Li的嵌入，否則金屬锂在負極表面還原形成锂枝晶，影響電池安全性能。平衡系數大小實際取值取決于工序能力，材料的利用率，正負極的正對面積比（裸電芯結構）以及放電倍率等因素。目前在電池廠，平衡系數常用範圍爲1.08~1.12。
因爲工業上的電極都是雙面塗覆，故我們選擇了一些有單面空白的部分進行裁切。
正負極片活性塗層面積大小如圖2所示。正極面積爲13.32cm2，LiCoO2容量爲140mAh/g，活性物質負載量爲21.6mg/cm2，故整體電池設計容量爲40.3mAh。
如果我們做的並不是成熟的商品化電池，則不用先提前設定電池容量。只需要確定塗覆厚度，保證容量平衡系數>1.0的即可。設計過程中漿料的粘度控制，還有像壓實密度等一些的參數在實驗室一般是沒有的，這就不能按工業化設計電極的思路走。所以開始可以把平衡系數設定的稍大一些，控制好漿料的粘稠度、粘結劑和導電劑的比例，不要讓正負極差別太大，這需要稍微摸索一下。
如果研究正極材料，則采用商業石墨或者矽碳材料作爲負極即可，匹配設計相對比較容易；
如果研究負極材料，正極材料的一般有磷酸鐵锂、钴酸锂、三元等成熟材料可選擇。但是問題是一般負極要比正極容量高很多，尤其是矽基材料，所以設計出來的正極需要很厚，電解液浸潤等問題會凸顯。這也需要花時間去摸索。
如果研究隔膜和電解液，則也相對比較容易制備軟包全電池。
二、極耳連接
極耳與極片的連接方式一般有三種方式：鉚接、超聲點焊、激光點焊。
鉚接是以針刺的方式將極耳和集流體連在一起，但效果並不是特別好且容易造成連接處極片的變形，但機器價格便宜。
超聲點焊、激光點焊是將連接處進行熔融進而黏合的一種連接方式，效果好，工業化生産常用，但價格很貴。焊接點的排布方式可根據自行選擇。不管怎麽焊，只有一個目的：極耳緊固。極耳要靠著集流體邊緣焊接。
三、疊片電芯制作
核心一點：負極要把正極包住，意思就是從負極一側看向正極，正極的活性塗層區域完全看不到。
單片電池需要重點考慮的是：怎麽讓正極、負極、隔膜能夠很好的疊在一起，保證負極把正極包住的同時還要讓二者負極緊緊貼合。疊層數越多，實驗室手工組裝難度越大，失敗率則會越高。筆者調研過一些公司的單片電池容量可做到700mAh，所得出數據是有研究意義的，所以在實驗室還是建議做單片，只需要考慮怎麽把正負極夾緊的問題。方法也有很多，比如有用特殊定制鋼板夾具的，這就要發揮我們科研族的偉大智慧了。
因爲是單片，鋁塑膜沖殼過程可以省去或者沖非常淺的殼就行。接下來就是要通過頂側封把電芯牢固的封在鋁塑膜中。
根據之前的設計，我們設定：
鋁塑膜的寬度=負極片的寬度+極耳膠頂部到負極的距離+1mm（根據電芯厚度更改，目的是防止極耳膠露在鋁塑膜外面）
鋁塑膜封寬與極耳膠寬度基本一致，意思是最大限度發揮極耳膠的能力，防止極耳處封裝不嚴造成漏液。頂側封溫度185℃，封裝時間5s。
四、電芯烘烤
此步驟極爲關鍵，可以這樣講：電芯烘不好，電池必廢掉。
保持極片所處環境的幹燥度，真空烘烤溫度85℃，時間最好大于≥48小時，真空系統的真空度爲-0.095~-0.10MPa；如果實驗室條件齊全可以考慮用高純氮氣作爲保護氣，氣體壓力＞0.5MPa，每小時抽一次真空注一次氮氣。
五、注液
手動注液有兩種方法，一是用簡單的醫用注射器，在電子天平的輔助下注液；二是電動注液器。第一種方法成本低但對操作能力要求高，一激動手忙腳亂的有可能讓針筒刺破手套；第二種操作方便但東西貴一些，還有就是操作不靈活，因爲一旦換電解液就得重新清洗。
注液環境：高純氩氣手套箱。
注液量如何計算？
計算方法：理論電解液體積=正極片孔隙體積+負極片孔隙體積+隔膜孔隙體積；
隔膜的孔隙體積=隔膜的總體積×隔膜孔隙率；
正（負）極片孔隙體積=正（負）極片總體積×極片孔隙率；
極片孔隙率=1-極片的冷壓密度/材料的平均真實密度。
举例：假设正极配方质量比为LiCoO2：Super P：Polymer=95.5%：2%：2.5%，三种材料的真实密度依次为4.97g/cm3，2.00g/cm3，1.78g/cm3。
材料的平均真實密度=1÷（95.5%÷4.97+2%÷2.0+2.5%÷1.78）=4.635g/cm3
若正極壓實密度爲3.7g/cm3，
則極片孔隙率=1-3.7÷4.635=21.1%
以上，隔膜、正負極片的總體積很容易計算得到，隔膜的孔隙率可從産品物理參數得到，所以關鍵是極片孔隙率如何得到。其中涉及到材料的真實密度，一般的實驗室沒有相應的儀器，很難測得。
注意一點：極片的壓實密度
Cheolwoong Lim等人曾将配比为LiCoO2：粘结剂：炭黑=94：3：3的正极浆料，涂布于铝箔上，涂布厚度从40μm到80μm，最后这些电极都将被碾压到40μm以得到不同的压实密度，极片的压实密度从2.2g/cm3到3.6g/cm3。通过nano-CT技术检测极片发现，随着压实密度的上升，导电碳和粘结剂的体积密度会上升，孔隙率会下降，接触电阻下降，电极电解液界面膜SEI阻抗会降低，电荷交换阻抗下降（http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.07.119）。电性能测试结果表明：压实密度的上升可以使得材料的放电比容量更高，倍率性能更好，容量保持率也更高，也能够提高锂离子电池的放电电压。
綜上在處理極片的時候要注意提高壓實密度，這也關系到電池實際生産中的能量密度問題。另外，電極的壓實密度可以通過計算得到，
壓實密度=塗層的質量÷塗層體積
在此也建議多做幾組實驗，提高負載量。活性物質負載量高，電池循環、倍率性能都不錯的數據會更吸引審稿人的眼球也更具應用潛力。
通過以上方法可以計算得到理論電解液用量，但在實際生産中，總有電解液殘留在電池的其他地方，未能被電極“消化吸收”。
工業上一般這樣計算：實際電解液用量=理論電解液用量×系數（約爲1.06）
以上得到的電解液用量是以體積計算的，所以還要轉化成質量=電解液體積÷電解液密度（因配方而異，一般約爲1.2g/cm3）
根據經驗來講，對于自制的簡易軟包電池來說上述公式中的系數則遠遠不止1.06，一般要4~5。
工業上注液前要用卡爾費休水分測定儀測定極片水含量，實驗室若無此類儀器，只能采用提高極片烘烤時間和環境幹燥度的“有效笨方法”。
六、預封
此工步就是要將電池進行完全密封，在真空環境中，讓電解液更好的浸潤極片。密封口無需再真空靜置。
封裝環境：手套箱，水氧含量越低越好。封裝溫度185℃（因爲封的是有極耳膠的一側，故需要采用軟封的封裝方式）、封裝時間因真空泵性能而異，真空度要達到約-90KPa。
這裏沒什麽太多可講的，但需要注意的一點是：千萬將手套碰觸到預封機加熱部分，否則全實驗室都會拿幽怨的眼神兒看你。
七、化成
對于單片電池必須采用夾具化成：0.05C充電至電池設計容量的70%左右後停止（電流以正極容量爲標准進行計算），以此計算充電時間。
八、熱壓
電芯熱壓整形的主要目的包括：
改善锂離子電池的平整度，使電芯厚度滿足要求並具有高的一致性；
消除隔膜褶皺，趕出電芯內部空氣，使隔膜和正負極極片緊密貼個在一起，縮短锂離子擴散距離，降低電池內阻。
熱壓溫度80℃，施加壓力2.5T，熱壓時間1.5h，隨後降溫0.5h。如果不經過熱壓過程，電芯內部殘留的空氣以及正負極某些部位不緊密的接觸會對電池造成一定的負面影響。經過實驗測試，電池會在前5圈有一定的容量衰減且庫倫效率低于100%。大致從第5圈開始穩定循環，100圈後容量相對于第5圈爲保持率爲91%，略低于成品化電池100圈後的保持率（約爲95%）。
另外，電芯的首次充電容量爲40.04mAh，略低于40.3mAh的設計容量。首次庫倫效率（=首次放電容量/（化成充電容量/首次充電容量））爲86%，略低于工業化生産要求90%左右。這主要是因爲兩點，一是負極/正極面積比大于工業化電池的面積比，這就會引起正極部分Li會更多損耗在負極SEI膜的形成上（爲了保證正負極疊片良好不得不犧牲一些首效。如果電極面積更大一些，這一影響會減弱。），另外一點就是電池極片內部的水氧存在（單靠烘箱烘烤搞不定，最好熱壓）引發的副反應消耗。所以，一定要熱壓。
九、二封
封裝溫度185℃。因爲無需封極耳膠一側，只是單純的將鋁塑膜封裝，所以采用硬封的方式即可。封裝時間因真空泵性能而異，我們將真空度設定在-95KPa。
十、充放電循環
工步1：恒流恒壓充，電流0.15C，充到4.2V，截止電流0.05C（有的采用0.01C）；
工步2：靜置5min；
工步3：恒流放電，電流0.15C，放到3.0V；
工步4：靜置5min；
工步5：恒流恒壓充，電流0.5C（可自定義），充到4.2V，截止電流0.05C；
工步6：靜置5min；
工步7：恒流放電，電流0.5C（可自定義），放到3.0V；
循環：多少圈自定義，從第4工步開始循環，充放電電流也可自定義。
期間，充放電前後電池的電壓、內阻、阻抗等信息也應一並測試，更能反應電池的性能。
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