固态电池充放电测试教程

核心目标： 在受控条件下，对固态电池进行充电（锂离子从正极脱出，嵌入负极）和放电（锂离子从负极脱出，嵌入正极），并记录电压、电流、时间、温度等关键参数。

重要前提：

1. 电池准备： 确保你有一个组装好的固态电池（扣式电池、软包电池或圆柱电池）。这通常包括正极、固态电解质、负极、集流体和外壳。

2. 测试设备： 你需要一台电池测试系统（也叫电池充放电测试仪，例如新威）。它能精确控制电流/电压，并记录数据。

3. 环境控制： 最好在恒温箱中进行测试，以控制温度（常见25°C）。温度对固态电池性能影响很大。

4. 压力装置 ： 固态电池需要持续、稳定、均匀的外部压力来维持良好的电极/电解质界面接触。这是区别于液态电池测试的最大特点！

   扣式电池： 使用专用的弹簧夹具或螺栓夹具施加固定压力（常用范围：1 MPa – 几百 MPa，具体看研究体系）。

   软包/圆柱电池： 使用带有压力传感器的压力夹具或气动/液压压力机，在整个测试过程中保持恒定压力。

详细测试步骤流程：

阶段一：准备与连接

1. 设备检查与校准：

        检查电池测试系统、恒温箱、压力装置是否正常工作。

        校准测试系统的电压和电流传感器（如果设备有此功能或定期需要）。

2. 设置测试环境：

        将恒温箱设定到目标测试温度（如25°C），并等待温度稳定。

3. 安装电池与施加压力：

        扣式电池： 将组装好的扣电小心放入夹具中，按照要求（如使用扭矩扳手）拧紧螺丝或安装好弹簧夹具，确保施加设计的压力。记录施加的压力值。

        软包/圆柱电池： 将电池放入压力夹具中，调整夹具或压力机，施加预设的恒定压力。确保压力传感器读数稳定在目标值。

4. 连接测试线：

        用测试线将电池的正负极分别连接到测试仪对应的正负极通道上。务必确保极性正确（红线接电池正极，黑线/蓝线接电池负极）！ 接反可能损坏电池或设备。

        检查连接是否牢固，避免接触不良。

5. 设备参数设置 (在电池测试系统软件中操作)：

        选择通道： 选择你连接电池的测试通道。

       输入电池信息： 通常需要输入一个标识符（如电池编号）。

        设置测试参数 (核心)：

          ①充电模式： 恒流恒压充电（最常见）、恒流充电、恒功率充电等。

          ②放电模式： 恒流放电（最常见）、恒功率放电、恒电阻放电等。

          ③电压限制：

             充电截止电压 (V_charge_max)： 电池允许的最高充电电压（如对NMC622/Li电池可能是4.2V或4.3V）。

            放电截止电压 (V_discharge_min)： 电池允许的最低放电电压（如3.0V或2.5V）。设置不当会损坏电池

          ④电流/倍率：

             充电电流 (I_charge)： 根据电池容量计算。例如，容量为1mAh的电池，0.1C倍率意味着充电电流=0.1mA。常用初始倍率如0.1C, 0.2C。

             放电电流 (I_discharge)： 同样根据容量和倍率设定，常与充电电流相同或不同。

            恒流恒压切换条件 (仅CCCV模式)： 当充电电流降至某个阈值（如0.05C）或达到设定时间时，停止充电。

         ⑤循环设置： 定义一次充放电为一个循环，设置总循环次数（如50次，100次）。

          ⑥静置时间： 在充放电之间或开始测试前设置静置时间（如5-30分钟），让电池内部状态稳定。

         ⑦数据记录间隔： 设置记录电压、电流、时间、容量等数据的频率（如每秒1次或每10mV变化记录一次）。

       命名与保存： 给测试方案命名并保存。

阶段二：执行测试

1. 启动测试前静置：

       在软件中启动测试程序。通常第一步是静置（如10-30分钟），记录开路电压。

2. 执行首次循环 (Formation Cycle)：

       首次充电： 系统会按照设定的充电模式（通常是CCCV）进行首次充电。首次充电可能使用较小的电流（如0.05C或0.1C），目的是在负极形成稳定的SEI/CEI膜（即使固态电池也需要）。密切观察电压曲线是否正常。

       首次静置： 充电完成后，静置一段时间。

       首次放电： 系统按照设定的放电模式（通常是恒流）进行放电至截止电压。记录首次放电容量，这常被视为电池的额定容量。

       首次静置： 放电完成后，再次静置。

3. 执行后续循环：

       系统会自动重复设定的充放电步骤（充电->静置->放电->静置），直到达到设定的循环次数。

       在整个过程中，持续监控压力是否稳定（对于软包/圆柱电池有传感器的，要记录压力值；扣电则需确保夹具无松动）。

       监控测试软件显示的实时电压、电流曲线是否正常，留意是否有电压骤降、平台异常等。

4. 过程监控：

       定期检查设备运行状态、恒温箱温度、压力读数。

       注意是否有异常声音、气味、烟雾或电池温度异常升高（可用红外测温枪监测电池表面温度）。如有异常，立即停止测试

阶段三：测试结束与数据分析

1. 测试终止：

       当达到设定的循环次数或触发了安全中止条件（如电压超限、温度超限）时，测试自动或手动停止。

       让电池在静置状态下结束。

2. 拆卸与安全处理：

       先断开测试仪与电池的连接。

       小心释放压力装置（对于高压夹具尤其注意安全）。

       将电池取出。对于测试后状态未知的电池，将其放入防爆容器中妥善存放。

       清理工作台。

3. 数据导出：

       从电池测试系统软件中导出测试数据（通常是.csv或.txt格式），包含时间、电压、电流、容量、循环次数、状态（充电/放电/静置）等列。

4. 数据分析 (使用Origin, Python, Excel等工具)：

       充放电曲线： 绘制电压-容量曲线。观察充放电平台电压、极化大小、平台长度。

       容量： 计算每个循环的放电容量、充电容量。绘制容量保持率（第N次放电容量/首次放电容量）vs 循环次数的曲线，评估循环稳定性。

       库伦效率： 计算每个循环的库伦效率（放电容量/充电容量 * 100%）。理想值接近100%，效率下降表明存在副反应或锂损失。绘制库伦效率 vs 循环次数曲线。

       能量效率： (放电能量 / 充电能量) * 100%，评估能量损失。

       倍率性能 (可选)： 如果测试了不同倍率（如0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C），绘制不同倍率下的容量保持率或电压曲线，评估电池的快充快放能力。

       分析失效模式： 观察容量衰减趋势（线性？跳水？）、库伦效率变化、电压极化增大情况，结合充放电曲线形状变化，推断可能的失效原因（如界面劣化、锂枝晶、接触损失、材料结构破坏等）。

       对比分析： 如果测试了不同压力、不同温度或不同材料体系，进行对比分析。

针对固态电池的关键注意事项 

1. 压力是核心变量： 压力不足会导致界面接触变差，内阻增大，容量急剧下降甚至无法工作。压力过大可能压碎脆性电解质。报告结果时必须注明测试所用的压力值！ 探索最佳压力范围通常是研究的一部分。

2. 压力均匀性： 确保夹具设计能使压力均匀施加在电池的活性面积上，避免局部应力集中。

3. 界面稳定性： 固态电解质与电极的界面兼容性至关重要。测试中观察到的异常可能源于界面反应或接触失效。

4. 电流密度： 固态离子电导率通常低于液态电解液，高倍率下极化更大。选择倍率时要考虑电池的实际承受能力。

5. 锂金属负极： 如果使用锂金属负极，要特别关注锂枝晶生长和体积变化问题。低压平台（接近0V vs Li+/Li）的微小波动可能暗示枝晶形成。

本文源自微信公众号：一起学电池

原文标题：《固态电池充放电测试教程》

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