锂电池是如何分类的？在研发中，哪些因素决定了电池封装形式的选择？

锂电池的分类有两个独立的维度：电解质状态和电池封装形式。 按电解质分，它们可以使用液态、聚合物或无机固态电解质。按物理结构分，实验室电池通常为扣式、圆柱形或方形，而软包电池对于代表性商业格式的原型设计也至关重要。封装形式的选择取决于实验是优先考虑快速材料筛选、受控界面研究、可扩展性、可制造性还是应用级性能。

核心要点： 使用能回答研究问题的最小、最简单的封装形式。扣式电池通常最适合早期的电化学筛选，而当需要评估组装可扩展性、电极均匀性、封装、热行为或商业制造相关性时，圆柱形、方形和软包形式则更为适用。

锂电池是如何分类的

按电解质状态分类

液态电解质电池使用非水系电解质，通常是含有锂盐的有机溶剂。它们广泛用于常规锂离子研究，因为液态电解质可以有效地润湿多孔电极和隔膜。

合适的液态电解质必须平衡离子电导率、粘度、润湿性、溶剂化能力、热行为、安全性和电化学稳定性。对于高压正极而言，宽广的稳定性窗口尤为重要。

聚合物电解质电池使用含有锂盐的聚合物基质。聚合物体系具有柔韧性并能提供良好的界面接触，但其离子电导率通常低于液态体系，尤其是在低温下。

固态电池用固体离子导电材料取代了液态电解质。主要类别包括固体聚合物电解质、无机陶瓷电解质和固体复合电解质。

主要的固态电解质类别

固体聚合物电解质具有柔韧性，且相对易于加工。其主要局限性在于离子电导率较低，且在某些体系中热稳定性受限。

无机陶瓷电解质包括氧化物和硫化物材料。它们可以提供高离子电导率以及强大的热或电化学稳定性，但它们坚硬且易碎。

固体复合电解质结合了陶瓷填料和聚合物基质。其目的是平衡陶瓷的电导率和稳定性与聚合物的加工性能和界面贴合性。

专业电解质架构

一些锂氧或锂空气体系进一步分类为非水系、水系、混合系或全固态。

水系和混合系需要在水基正极电解液和金属锂之间进行保护性隔离。全固态体系则需要精细的膜制备和固-固界面控制。

一次锂电池与二次锂电池

一次锂电池使用金属锂，不打算进行常规充电。它们具有高能量密度，适用于低倍率应用，在这些应用中，长保质期或高比能量比循环寿命更重要。

二次锂离子电池是可充电的，因此是大多数储能、电动汽车和循环寿命研究的首选。当需要反复循环和考虑长期运行成本时，它们较高的初始开发复杂性是合理的。

电池如何按物理结构分类

扣式电池

扣式电池体积小、成本低且组装相对简单。它们通常用于初始活性材料筛选、电解质对比和基础电化学测量。

其体积小巧减少了材料消耗，并允许实验室并行测试多种配方。典型测量包括容量、倍率性能、阻抗、库仑效率和循环保持率。

圆柱形电池

圆柱形电池将卷绕的电极和隔膜层封装在坚硬的金属罐内。商业示例包括18650规格，尽管研究用电池可能使用其他尺寸。

其坚硬的外壳提供了机械一致性，并支持对卷绕、压力、集流、热行为和可扩展电池组装的研究。制造可能需要受控的电极压制、卷绕、入壳、封口和安全组件集成。

方形电池

方形电池使用坚硬的矩形外壳，可以容纳比典型扣式电池更大的电极面积。当研究人员需要研究大尺寸堆叠、均匀压缩、封装效率和制造相关的电极尺寸时，它们非常有用。

方形结构可以有效利用空间，但通常比扣式电池需要更受控的组装和压力管理。

软包电池

软包电池在堆叠或卷绕的电极周围使用柔性聚合物层压铝膜封装。它们具有较低的封装质量和较高的体积效率，使其在现实原型开发中很有价值。

它们需要额外的工艺控制，包括电极堆叠或卷绕、成型、电解液注入、真空密封以及化成过程中的气体管理。

实验室研发中什么决定了电池封装形式的选择？

研究问题

封装形式应与所研究的问题相匹配。

如果目标是比较正极粉末、粘结剂、涂层或电解质配方，扣式电池通常能提供足够的证据。如果目标是验证卷绕、堆叠、压力分布或封装，则更大尺寸的封装形式更具参考价值。

材料可用性

早期研究通常只有毫克到克级的活性材料。扣式电池最大限度地减少了材料需求，并允许在不消耗大量新材料的情况下测试多种实验条件。

当配方、电极负载和制造工艺足够成熟时，更大尺寸的电池才变得实用。

电极面积和负载

扣式电池适用于筛选，但它们可能无法重现高负载或大面积电极的行为。更大尺寸的封装形式能揭示涉及涂层均匀性、电解液润湿、离子传输、电流分布和机械变形的问题。

电极压制和涂层必须仔细控制，以确保性能差异不是由密度或厚度的变化引起的。

界面和接触控制

固态和复合电解质研究对电池结构提出了特殊要求。研究人员必须控制界面接触电阻、电解质层密度、平整度、弯曲强度和施加压力。

扣式电池对于早期界面研究是有效的，但可能需要更大尺寸的封装形式来确定固体电解质层是否能在商业相关面积上均匀制造。

制造相关性

小电池可以证明某种化学体系在电化学上可行，但不能证明其可以可靠地制造。

当研究涉及浆料混合、连续涂布、电极辊压、堆叠、卷绕、密封、集流或放大参数时，圆柱形、方形和软包形式更为合适。

所需设备和工作流程

每种封装形式都需要不同的实验室工作流程。

• 扣式电池通常需要小规模电极制备、受控组装、隔膜放置、电解液添加和封口。
• 圆柱形电池需要卷绕或卷材处理、入壳、电解液注入以及专门的封口。
• 方形电池需要大面积电极处理、堆叠或卷绕、外壳组装和压力控制。
• 软包电池需要成型、真空注液或密封，以及对化成相关气体的仔细控制。

对于固态电池，精密压制、层压和压实尤为重要，因为空隙和不均匀的压力会主导测量的电阻。

测试通量

高通量配方筛选倾向于使用扣式电池，因为它们成本低、体积小且组装相对快速。

更大尺寸的电池测试通量较低，但产生的数据与电池包级设计、热管理、制造良率和实际能量密度更相关。

安全和环境控制

金属锂和对水分敏感的电解质可能需要干燥室或手套箱组装。锂氧和锂空气体系增加了对气密密封、受控氧气输送和防潮的要求。

因此，封装形式的选择不仅要考虑电池本身，还要考虑可用的组装环境和测试夹具。

理解权衡

扣式电池不是微型商业电池

扣式电池的结果对于材料排序很有价值，但它们不能自动预测大尺寸电池的行为。电极负载、电流密度、压力、热梯度、电解液量和封装方面的差异会改变观察到的性能。

因此，有希望的扣式电池结果应被视为筛选结果，而不是可制造性的证明。

更大尺寸的封装增加了真实性和复杂性

圆柱形、方形和软包电池提供了更多与制造相关的信息，但它们需要更严格的工艺控制和更专业的设备。

组装缺陷、不均匀压力、润湿不良、密封失效和集流问题可能会掩盖化学体系的内在行为。

电解质状态改变了主要的失效模式

液态体系对润湿、泄漏、溶剂分解和高压氧化特别敏感。固态体系对空隙、脆性断裂、界面电阻和不均匀压实更为敏感。

一种方便进行液态电解质筛选的封装形式，可能不足以评估固态电池的机械和界面要求。

电池封装形式可能会扭曲安全结论

扣式电池的热和机械行为不等同于卷绕或堆叠的商业电池。安全结论应基于与预期应用相关的封装形式、电解液量、电极负载和滥用条件。

为您的目标做出正确的选择

根据化学体系的成熟度和实验需要支持的决策来选择封装形式。

• 如果您的主要重点是快速材料或电解质筛选： 使用扣式电池以最大限度地减少材料消耗、提高测试通量，并在受控条件下比较电化学趋势。
• 如果您的主要重点是固态界面开发： 使用允许精确压制、层压、压实和测量界面电阻的封装形式。
• 如果您的主要重点是可扩展的电极制造： 使用圆柱形、方形或软包形式来评估涂布、压制、卷绕或堆叠、密封以及大面积均匀性。
• 如果您的主要重点是应用级储能或车辆性能： 使用可充电锂离子电池，其封装形式应能重现预期的负载、封装、热和机械条件。
• 如果您的主要重点是一次电池能量密度或低倍率运行： 使用金属锂一次电池配置，并优先考虑电解质稳定性、保质期、安全性和低倍率性能。

最可靠的研发工作流程是从受控的扣式电池筛选开始，一旦化学体系和电极工艺表现出可重复的性能，再进行更大尺寸的验证。

总结表：

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