一种对称电池及测试方法与流程

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种对称电池及测试方法。

背景技术：

锂离子电池因其高能量密度、高功率密度以及长循环寿命的特点，自问世以来在数码领域得到广泛应用，逐渐取代镍镉电池和镍氢电池而成为数码电池的主流。随着各类新型高性能材料的引入，锂离子电池应用领域扩展到动力、储能等领域，市场份额已超过铅酸蓄电池，未来还有非常大的成长空间。

锂离子电池性能的提升离不开高性能关键材料的引入。为此，准确评估材料性能对材料开发相当关键。目前，材料性能评测一般采用扣式电池和全电池的方法。扣式电池本身采用锂金属作为负极，是评估正负极材料克容量和首次效率的重要方法。全电池是电芯开发中常用的技术手段，可用于评估电芯基本电性能，例如容量、倍率、高低温、循环、安全等各项性能。为了更好的监控各类材料在不带电以及带电、不同荷电状态及多次充放电情况下性能变化情况，需要开发出不同的技术手段来进行评测。基于上述目的，研究者开发出了对称电池技术，以更好的理解电极材料性能变化规律，开发出性能更好的关键材料和电池体系。

目前常见的对称电池技术往往采用将设定荷电状态的不同单体电池拆解，取出其中同极性目标极片与隔膜再行组装电芯的方式。这种方法对环境要求严格，需要在控制水分、含氧量的密闭环境中进行电芯的组装操作。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种制作成本低、稳定性好的对称电池及测试方法。制备的对称电池可以方便的对目标极片进行荷电状态的控制，便于对正负极材料进行相关电性能评测。

为实现该技术目的，本发明的方案是：一种对称电池，包括由铝塑膜封装在一起的第一卷芯、隔离膜和第二卷芯，所述第一卷芯由第一对称电极、第一隔膜和上对电极组成，第二卷芯由第二对称电极、第二隔膜和下对电极组成。

作为优选，所述第一对称电极、上对电极、第二对称电极和下对电极均为单层结构，

所述第一对称电极和第二对称电极面对面对齐设置，隔离膜位于第一对称电极和第二对称电极之间；

所述隔离膜为多孔材料结构，厚度20-30μm，孔隙率35-55％。

作为优选，所述第一对称电极和第二对称电极的集流体采用多孔导电材料结构，所述第一对称电极和第二对称电极的集流体为泡沫金属、开孔金属箔、多孔碳材料中的一种，用于第一对称电极和第二对称电极上的活性材料能填充到集流体的空隙中；

所述第一对称电极和第二对称电极的厚度均不超过100μm。

作为优选，所述上对电极和下对电极的集流体为金属箔或多孔导电材料结构，所述上对电极和下对电极的集流体为铜箔、铝箔、不锈钢箔、泡沫金属、开孔金属箔、多孔碳材料中的一种。

作为优选，当上对电极、或下对电极的集流体为铜箔、铝箔、不锈钢箔中的一种时，则集流体为单面涂布结构，活性材料位于集流体的一侧。

作为优选，所述第一卷芯上还对应焊接有第一正极耳和第一负极耳，所述第二卷芯上还对应焊接有第二正极耳和第二负极耳，由第一正极耳和第一负极耳铝塑膜顶端引出，第二正极耳和第二负极耳能由铝塑膜侧端、顶端、底端引出，第一正极耳、第一负极耳、第二正极耳和第二负极耳之间均不重叠。

一种对称电池的制作法，用于对称电池制备，具体制备步骤如下：

s1、制备卷芯：按照合浆、涂布、辊压、分切、极耳设置、叠片的基本步骤分别制作第一卷芯和第二卷芯；

s2、组装：将第一卷芯、隔离膜和第二卷芯按设定顺序依次置入冲好形状的铝塑膜中，第一对称电极和第二对称电极面对面对齐，第一卷芯极耳和第二卷芯的极耳之间不发生重叠，对铝塑膜进行封装，留出一侧开口，放入真空烤箱中除水，获得干电芯；

s3、真空烤箱中的干电芯水分经测试合格后注液封口，获得用于评估正负极材料性能的对称电池。

一种对称电池的测试方法，采用对称电池，具体测试步骤如下：

⑴评估对称电池在不带电情况下活性材料的电化学特性：连接第一对称电极和第二对称电极进行交流阻抗测试；

⑵当第一对称电极和第二对称电极具有相同的荷电状态时，评估不同荷电状态下活性材料的电化学特性：首先分别对第一卷芯和第二卷芯以0.50c以下的电流进行充放电，随后按设定的荷电状态将第一卷芯和第二卷芯调整到相应的荷电状态，连接第一对称电极和第二对称电极进行交流阻抗测试；

⑶当第一对称电极和第二对称电极有不同的荷电状态时，含第一对称电极、或第二对称电极，不带电的情况，评估不同荷电状态下活性材料的电化学特性：按荷电状态的设定情况分别对第一卷芯和第二卷芯以以0.50c以下的电流进行充放电，随后按设定的荷电状态将第二卷芯调整荷电状态到位后，连接第一对称电极和第二对称电极进行循环测试。

作为优选，还包括⑷对称电池作为三电极电芯进行测试用：

其中上对电极或下对电极对应的活性材料为石墨、钛酸锂及磷酸铁锂中的一种，选上对电极和下对电极之一做三电极体系中的参比电极；

测试前，对包含参比电极的第一卷芯或第二卷芯以0.33c的电流进行1-5次充放电操作，使参比电极表面状态趋于稳定，达到指定荷电状态后，选定的参比电极、第一对称电极和第二对称电极按三电极测试的接线方式进行测试。

作为优选，当参比电极上涂布的活性材料为石墨时，荷电状态调整范围为70％-90％；

当参比电极上涂布的活性材料为钛酸锂时，荷电状态调整范围为25％-75％；

当参比电极上涂布的活性材料为磷酸铁锂时，荷电状态调整范围为20％-80％。

本发明的有益效果，本申请对称电池的制作过程简便易行，无需额外拆解电芯重新组装，极大程度降低了外界干扰对测试结果的影响；本申请的对称电池荷电状态控制方法也很方便，仅需通过对第一卷芯和第二卷芯按设定的荷电状态进行充放电控制即可；选择合适的活性材料后，本申请的对称电池体系还可以作为三电极体系进行性能评估，可以获得更多有参考作用的测试结果。

附图说明

图1为本发明的层状结构示意图；

图2为本发明的参考图一；

图3为本发明的参考图二；

图4为本发明的参考图三。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1-4所示，本发明所述的具体实施例为一种对称电池，包括由铝塑膜封装在一起的第一卷芯1、隔离膜3和第二卷芯2，所述第一卷芯1由第一对称电极103、第一隔膜102和上对电极101组成，第二卷芯2由第二对称电极201、第二隔膜202和下对电极203组成(在用于对称电池测试的情况下，第一对称电极103、隔离膜3和第二对称电极201构成对称电芯)。

所述第一对称电极103、上对电极101、第二对称电极201和下对电极203均为单层结构，第一卷芯1和第二卷芯2可以分别用胶纸进行固定，便于后续的组装操作。

所述第一对称电极103和第二对称电极201的涂布区域面对面对齐设置(若两个卷芯采用多层结构，则无法实现这一效果)，隔离膜3位于第一对称电极103和第二对称电极201之间；所述隔离膜3为多孔材料结构，厚度20-30μm，孔隙率35-55％。

第一对称电极103和第二对称电极201具有相同的活性材料、电极配方及面密度、压实、涂布尺寸，例如对上对电极和下对电极可以使用同一种正极材料钴酸锂(同一种材料指同一厂家同一规格的材料，如该材料变更生产地则视为不同材料)，也可以使用同一种负极材料石墨。上对电极和下对电极可以使用相同的材料，也可使用不同的材料。例如，上对电极和下对电极可以采用同一种石墨材料，也可采用同一厂家生产的不同型号的石墨材料，也可采用不同厂家生产的石墨材料。

所述第一对称电极103和第二对称电极201的集流体采用多孔导电材料结构，所述第一对称电极103和第二对称电极201的集流体为泡沫金属、开孔金属箔、多孔碳材料中的一种，用于第一对称电极和第二对称电极上的浆料(含有对应的活性材料)能填充到集流体的空隙中；所述第一对称电极103和第二对称电极201的厚度均不超过100μm。所述上对电极101和下对电极203的集流体为金属箔或多孔导电材料结构，所述上对电极101和下对电极203的集流体为铜箔、铝箔、不锈钢箔、泡沫金属、开孔金属箔、多孔碳材料中的一种。

当上对电极101和下对电极203对应的集流体为铜箔、铝箔、不锈钢箔中的一种时，上对电极101和下对电极203单面涂布，浆料(含有对应的活性材料)位于集流体的一侧。

当选择铜箔(或者铝箔、不锈钢箔中的一种)作为第一对称电极103和第二对称电极201的集流体时，为了调整荷电状态，第一卷芯1的第一对称电极103、上对电极101的带活性材料的两个面面对面对齐，第一对称电极103的光箔面与隔离膜3相接。此时，第一对称电极103、隔离膜3和第二对称电极201构成的对称电芯，若是箔与箔正对，则无法难以实现对称电池的测试功能。基于此，第一对称电极103和第二对称电极201的集流体必需选择多孔导电材料。

而采用多孔导电材料结构的箔片作为集流体，活性材料能够贯穿第一对称电极103、第二对称电极201的集流体的两面，可以方便的对第一卷芯1和第二卷芯2的荷电状态进行控制，也实现了第一对称电极103、第二对称电极201活性材料面对面对齐。第一对称电极103、第二对称电极201在极片对厚度方面进行控制，主要是为了更好的控制扩散过程对第一对称电极103、第二对称电极201荷电均匀性的影响，另一方面也利于对第一卷芯1和第二卷芯2在相对大的倍率下进行充放电操作。

第一对称电极103、第二对称电极201材料选择方面，第一对称电极、第二对称电极对应正极材料时，可选择例如钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂三元材料、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锰锂等材料中的一种。

上对电极101和下对电极203可选择石墨(天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、复合石墨)、软碳、硬碳、钛酸锂、含硅材料等。上对电极和下对电极根据测试设定的不同可选择同一种负极材料，也可以选择不同的负极材料。例如：①上对电极和下对电极选择同一厂家同一型号的人造石墨；②上对电极和下对电极选择同一厂家的不同型号的人造石墨；③上对电极和下对电极选择同一厂家的人造石墨和天然石墨；④上对电极和下对电极选择同一厂家的石墨和钛酸锂材料；⑤上对电极和下对电极选择不同厂家的石墨材料；⑥上对电极选择a厂家的石墨、及下对电极选择b厂家的钛酸锂。

第一对称电极103、第二对称电极201对应负极材料时，例如石墨(天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、复合石墨)、软碳、硬碳、钛酸锂、含硅材料等中的一种，上对电极和下对电极可选择同一种正极材料，也可以选择不同的正极材料，与上一段类似。

所述第一卷芯1上还对应焊接有第一正极耳104和第一负极耳105，所述第二卷芯2上还对应焊接有第二正极耳204和第二负极耳205，由第一正极耳104和第一负极耳105铝塑膜4顶端引出，第二正极耳204和第二负极耳205能由铝塑膜4侧端、顶端、底端引出，第一正极耳104、第一负极耳405、第二正极耳204和第二负极耳405之间均不重叠。

一种对称电池的制作法，用于对称电池制备，具体制备步骤如下：

s1、制备卷芯：按照合浆、涂布、辊压、分切、极耳设置、叠片的基本步骤分别制作第一卷芯和第二卷芯；

s2、组装：将第一卷芯、隔离膜和第二卷芯按设定顺序依次置入冲好形状的铝塑膜中，第一对称电极和第二对称电极面对面对齐，第一卷芯极耳和第二卷芯的极耳之间不发生重叠，对铝塑膜进行封装，留出一侧开口，放入真空烤箱中除水，获得干电芯；

s3、真空烤箱中的干电芯水分经测试合格后注液封口，获得用于评估正负极材料性能的对称电池。

一种对称电池的测试方法，采用对称电池，具体测试步骤如下：

⑴评估对称电池在不带电情况下活性材料的电化学特性：连接第一对称电极和第二对称电极进行交流阻抗测试；

⑵当第一对称电极和第二对称电极具有相同的荷电状态时，评估不同荷电状态下活性材料的电化学特性：首先分别对第一卷芯和第二卷芯以0.50c以下的电流进行充放电，随后按设定的荷电状态将第一卷芯和第二卷芯调整到相应的荷电状态，连接第一对称电极和第二对称电极进行交流阻抗测试；

⑶当第一对称电极和第二对称电极有不同的荷电状态时，含第一对称电极和第二对称电极不带电的情况，评估不同荷电状态下活性材料的电化学特性：按荷电状态的设定情况分别对第一卷芯和第二卷芯以0.50c以下的电流进行充放电，随后按设定的荷电状态将第二卷芯调整到相应的电压，连接第一对称电极和和第二对称电极进行循环测试。

还包括⑷对称电池作为三电极电芯进行测试用：

其中上对电极或下对电极对应的活性材料为石墨、钛酸锂及磷酸铁锂中的一种，选上对电极和下对电极之一做三电极体系中的参比电极；

测试前，对包含参比电极的第一卷芯或第二卷芯以0.33c的电流进行1-5次充放电操作，使参比电极表面状态趋于稳定，达到指定荷电状态后，选定参比电极、第一对称电极和第二对称电极按三电极测试的接线方式进行测试。

当参比电极上涂布的活性材料为石墨时，荷电状态调整范围为70％-90％；

当参比电极上涂布的活性材料为钛酸锂时，荷电状态调整范围为25％-75％；

当参比电极上涂布的活性材料为磷酸铁锂时，荷电状态调整范围为20％-80％。

实施例1

第一对称电极和第二对称电极对应活性材料为同一种负极石墨，上对电极对应钴酸锂材料，下对电极对应磷酸铁锂材料。

第一对称电极和第二对称电极的制备：首先进行浆料制备。负极配方为石墨：导电剂(炭黑)：增稠剂(羧甲基纤维素钠)：粘结剂(丁苯橡胶)＝95:1:1.5:1.5，使用水性体系进行浆料制备。按负极配方采用双行星搅拌器在控制温度和真空度的情况进行负极浆料的制作，浆料性能满足粘度和细度要求时出料，将浆料均匀涂布在多孔泡沫铜上、干燥得到未辊压极片，将极片厚度辊压至80μm，冲片、设置极耳，得到第一对称电极和第二对称电极，待用。

上对电极的制备：上对电极对应的配方为钴酸锂：导电剂(炭黑)：粘结剂(聚偏氟乙烯)＝97:1.5:1.5，使用油性体系进行浆料制备。按配方采用双行星搅拌器在控制温度和真空度的情况下进行浆料制作，浆料性能满足粘度和细度要求时出料，将浆料均匀涂布在铝箔(厚度12-18μm)的一面上、干燥、辊压得到极片，冲片、设置极耳得到上对电极。

下对电极的制备：下对电极对应的配方为磷酸铁锂：导电剂(炭黑)：粘结剂(聚偏氟乙烯)＝95:2.5:2.5，使用油性体系进行浆料制备。按配方采用双行星搅拌器在控制温度和真空度的情况下进行浆料制作，浆料性能满足粘度和细度要求时出料，将浆料均匀涂布在铝箔(厚度12-18μm)的一面上、干燥、辊压得到极片，冲片、设置极耳得到下对电极。

第一卷芯的制作：将第一对称电极、第一隔膜和上对电极(上对电极涂布面正对第一对称电极的涂布面)对齐，依次堆叠，用胶纸将堆叠好的第一卷芯进行固定。

第二卷芯的制作：将第二对称电极、第二隔膜和上对电极(上对电极涂布面正对第二对称电极的涂布面)对齐，依次堆叠，用胶纸将堆叠好的第一卷芯进行固定。

对称电池的制作：将第一卷芯(第一对称电极正对隔膜膜)、隔离膜和第二卷芯(第二对称电极正对隔膜膜)按设计的第一卷芯和第二卷芯出极耳的方式对齐叠好，用胶纸进行固定，放入预先进行冲壳的铝塑膜中进行封装，留一侧开口，放入真空烘箱中进行除水。待水分测试合格后进行注液封口，得到对称电池。

测试：1)交流阻抗测试。将第一对称电极和第二对称电极按交流阻抗测试要求进行接线，按电位振幅5mv、频率范围100khz-0.1mhz进行交流阻抗测试。

2)荷电状态控制：分别对第一电芯和第二电芯进行激活处理(0.3c充放电)，再0.3c充满，按放电方式进行荷电状态的控制。

3)循环测试：可分别对激活后的第一卷芯和第二卷芯进行循环测试，也可仅仅对第一卷芯和第二卷芯中的一个进行循环测试。

4)其他测试：可根据需要进行其他的组合测试。

本申请对称电池的制作过程简便易行，无需额外拆解电芯重新组装，极大程度降低了外界干扰对测试结果的影响；本申请的对称电池荷电状态控制方法也很方便，仅需通过对第一卷芯和第二卷芯按设定的荷电状态进行充放电控制即可；选择合适的活性材料后，本申请的对称电池体系还可以作为三电极体系进行性能评估，可以获得更多有参考作用的测试结果。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。