为什么同一批电池容量差别那么大？都毕业了我才知道！

【研究背景】

高效的清洁能源是人类社会发展的长期追求。在清洁能源的发展过程中，能源的储存与转化装置的开发也是至关重要的一环。目前，碱金属二次电池是最为常见的一种能源储存转化装置，而纽扣半电池则是实验室中研究这类能源储存与转换装置最常用的工具。纽扣半电池的负极一般统一采用金属锂片，正极则采用待研究材料+粘结剂+导电添加剂的复合物，这些复合物先预涂在集流体上（铜箔或者铝箔），然后用铳子铳下来作为研究电极。一般来讲，铳子的尺寸固定，铜箔或者铝箔的厚度固定，因此集流体的质量确定。所以活性物质的质量=（研究电极的质量-集流体质量）*活性物质的百分比。在这里需要注意的是，由于具有较大的使用面积，全电池的集流体的厚度可以认为是固定值，而纽扣电池的电极尺寸较小，不同集流体的厚度可能存在偏差，因此活性物质的质量计算就会存在误差，进而导致比容量的测试值不准确。

 

近期，美国弗吉尼亚大学的Gary M. KoenigJr.团队研究了不同正负极材料，不同面密度下，比容量的测试值的分布范围，他们发现，活性物质的载量较大时（>1 mg/cm²）时，比容量测试值相对居中（95%的测试值波动范围<5%），而载量较低（<0.1 mg/cm²）时，比容量测试值偏差较大（95%的测试值波动范围>20%）。因此，在制作纽扣电池时，活性物质的面密度应该尽可能高，最好>1 mg/cm²。相关研究结果发表在Journal of The Electrochemical Society上。

 

【核心内容】

1 实验条件

铜与铝集流体均采用直径9/16英寸的圆片，平均质量分别为14.13和6.75 mg，平行测试30片纽扣电池。测试了四种材料的比容量分布，这四种材料分别为LiCoO₂， S，石墨C，硅负极（Si），测试选取的电压区间内四种材料理论比容量分别为150，1500，300，3000 mAh/g。

 

2 实验结果

从图1可以看出：随着活性物质载量提高，95%置信区间的范围越来越窄。面密度达到10 mg/cm²时，95%比容量的测试值波动范围低于1 mAh/g。而面密度为0.1 mg/cm²时，95%的比容量测试值波动区间高达理论容量的20%-40%。这些结果说明：1，注意多次重复实验；2，注意提高极片的面密度。

图1 理论容量分别为150（A），1500（B），300（C），3000（D） mAh/g的四种材料采用不同的面密度进行极片涂布，在95%置信区间的比容量分布图。

 

表1 理论容量分别为150（A），1500（B），300（C），3000（D） mAh/g的四种材料采用不同的面密度进行极片涂布，在95%置信区间的比容量分布线数据表

 

此外，还需要注意：除了集流体的质量不稳定性会导致测试值不准确，材料合成以及保存等过程也会导致材料批次之间测试结果存在差异，电池组装过程吸潮也会影响极片的质量，测试设备的电压或者电流精度也会影响测试准确度和稳定性。

 

【结论】

一般认为恒定值的集流体质量实际也存在波动，这会导致低面密度的极片比容量测试值不准，因此严格控制面密度以及多次重复测试在研发过程十分必要。集流体对测试准确性和稳定性的影响引发其他方面的考虑，例如材料的批次稳定性，材料的保存条件，电池组装环境的变化以及测试系统误差等，因此多此重复实验对于获得准确的数据具有重要的意义。

 

Gary M. KoenigJr., Devanshi Gupta and Yonsei Kim, Perspective—Expected Variation in Reported Coin Cell Capacities Due to Current Collector Mass Distribution, Journal of The Electrochemical Society, 2020, 167, 120529.