在电池研究和生产领域，纽扣电池（以下简称扣电）的制备及测试是至关重要的环节，其准确性和可靠性直接影响电池研究分析及产品质量评估。然而，要确保扣电制备及测试的可靠性并非易事，需要从多个方面下功夫。本文将分析可能造成扣电测试质量波动的5大因素：人、机、料、法、环，以便更好地理解管控扣电制作流程的重要性，进而提升扣式电池可靠性。
图1 扣电测试质量波动的5大影响因素
扣电制作过程中用到的物料主要指活性材料和耗材，包括正负极活性粉料、正负极粘结剂、导电剂和溶剂等，这些物料的状态显著影响最终扣电数据的可靠性，在扣电制作过程中要仔细选择和处理。
耗材如电解液、隔膜、导电剂和粘结剂等，应在质量优良的前提下固定厂商和型号。此外，需额外关注耗材纯度，如NMP溶剂要选择电子级纯度，锂片纯度要≥99.9%，防止因更换耗材或耗材纯度不够引起测试波动。部分耗材采买到位后需要处理后再使用，一般来说，导电剂、粘结剂和隔膜在使用前都需要烘烤，导电剂通常在125℃鼓风烘烤48小时以上，PVDF粉末65℃鼓风烘烤6小时以上，CMC粉末不宜烘烤过久，65℃真空烘烤2～4小时，冲切后的隔膜65℃鼓风烘烤4h后及时转移至手套箱中（有些隔膜遇热容易卷曲，可先整片烘烤，在干燥间冲切后转移）。活性材料是否需要烘烤干燥，要视来料状态和工艺而定。工厂生产并及时封装的商业化物料可以直接使用，实验室中少量合成的物料则需要烘烤处理，于120℃真空烘烤6～8h。值得注意的是，实验室中少量合成的物料和导电剂在烘烤前还需要过筛处理（活性材料过200目筛，导电剂过80目筛），导电剂过筛是为了防止导电剂因颗粒太小而发生团聚进而影响数据一致性，实验室中少量合成的物料过筛是为了筛除粒径较大的颗粒，防止在涂布过程中刮破集流体，导致极片制备失败。此外，还有一点容易忽略的是，采买的扣电部件需要清洗后再使用，可用无水乙醇超声清洗并65℃鼓风烘烤过夜后转移到手套箱备用。
表1 市售某款LFP材料使用未过筛和过筛的导电剂的扣电数据对比
极片制备环境、扣式电池测试间环境和手套箱环境都会对扣电数据产生深刻影响。极片制备环境中影响最大的因素是湿度，以三元材料为例，环境中的水分会与三元材料表面的残锂反应生成碳酸锂和氢氧化锂，从而使涂布难度增大，故制备三元材料极片时露点需控制在-20℃以下。扣电测试间温度的恒定是扣电数据一致性得到保障的前提，条件允许的话可以将扣电测试间温度控制在25±0.5℃。
图2 NCM811材料发生副反应的示意图
手套箱环境对扣电数据的影响，主要体现在以下几个方面：
手套箱中的水分含量是一个关键指标，当其值过高时，水分会与活性材料发生反应。例如，水分会与锂金属反应生成氢氧化锂和氢气，这会导致锂金属表面状态发生改变，使半电池中负极的锂沉积/剥离过程变得不均匀，进而影响扣电测试数据。对于三元正极材料，水分会导致其结构发生变化，影响锂离子在其中的嵌入和脱出，降低其容量和充放电效率。水分也会与电解质中的锂盐发生反应，如与常用的六氟磷酸锂反应生成氢氟酸等有害物质，腐蚀电池部件，并且会进一步与活性材料发生反应，破坏电极的稳定性；同时，生成的杂质会影响电解质的离子电导率，使得锂离子在电池内部的传输受阻，电池的内阻增大，充放电性能下降。
氧气会与锂金属反应生成氧化锂，在其表面形成一层钝化膜，虽然在一定程度上可以阻止进一步的氧化反应，但也会增加电极的阻抗，影响锂离子的传输速度，进而影响电池的倍率性能。
除了水分和氧气，手套箱中的其他杂质气体也可能对锂电扣式电池数据产生影响。例如，二氧化碳会与活性材料和电解质发生反应，它会与锂金属反应生成碳酸锂，改变其表面的化学组成和形貌，影响半电池中锂离子在负极的嵌入和脱出，增加电池的界面阻抗；同时，二氧化碳可能会与正极材料表面的残锂发生反应，影响正极的表面化学状态，进而影响电池的充放电性能。
综上所述，手套箱环境中的水氧要严格控制在5ppm以下，且手套箱要专箱专用，避免不明样品引入杂质气体的情况。
表2 市售某款NCM811材料在氧气超标*和水氧受控**的手套箱中组装的扣电数据对比
*H2O ：7.47ppm，O2：378ppm
**H2O≤0.01ppm，O2≤0.01ppm
在极片制备、扣电组装及测试过程中，人为失误是常见问题。操作规范、环境检查、变量控制等是测试工程师的基本素养，也是减少人为失误的基本要求。为保证测试工程师在实际操作过程中执行到位，通过专业培训，提升测试工程师的操作技能和专业知识，让其不仅知道如何做，还知道为什么这样做。同时需要不断增强测试工程师的责任意识、分析问题的能力和反馈意识，保证相关工作的顺利进行。
极片制作、扣电组装及测试过程中用到的设备包括天平、匀浆机、涂布机、测厚仪、辊压机、冲片机和测试柜等，设备使用条件不佳、维护不良或者没有按期校准都会导致测试误差。
精密天平的使用应在干燥间露点稳定后进行，特别是十万分位精密天平，否则会导致极片称量不准。匀浆机运行时若发出异响，要及时关停并重新配重，若配重无问题且异响未消失，应检查是否需要更换齿轮带。涂布机运行时要避免将浆料涂布到涂覆台上，否则涂覆台的气孔会被堵住，后续无法保证集流体的紧密吸附，导致涂布厚度不匀。测厚仪的使用要轻拿轻放，避免震动，最好使用底台夹住保持稳定。辊压机运行前应小心擦拭辊轮，避免将无尘纸卷入辊轮损伤设备进而导致辊压厚度不准。冲片机的冲头磨损严重时要及时更换，防止冲切的圆片边缘有毛刺，导致扣电的内短路。测试柜要定期校准，一般每半年工装校准一次，修正和调整其测量精度，以确保其能够准确地测量电流、电压、时间等充放电参数。
图3 扣电制作过程中用到的设备及使用注意事项
严格按照扣电制作指导书作业是保证数据可靠的前提。极片制作方法、扣电组装方法和扣电测试方法中涉及很多关键质量控制步骤，指导书中要将这些步骤注明，测试工程师才能操作到位。如极片制作过程中的匀浆环节，匀浆结束后需要立刻涂布，以避免浆料的沉降；此外，针对不断涌现的新材料所涉及的多种操作细节，应及时更新到指导书中，如硅碳材料制成极片经辊压后循环稳定性会变差，故除非客户特别提及，需在指导书中写明硅碳材料极片不进行辊压处理。
表3 市售某款石墨材料浆料经历沉降和未经历沉降再涂布制备的扣电数据对比
综上，提高扣电制备及测试的可靠性要求每一个环节都精益求精，严格把控各项参数和操作流程。只有这样，才能获得准确、可靠的电池性能数据，为电池研究和开发提供有力的支持。
文/Jennifer
