18650钠离子电池拆解解析

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钠离子电池技术正处于快速发展阶段，市场需求增长迅速，技术不断进步，且得到了政策的大力支持。目前，钠离子电池技术正在不断成熟，一系列核心技术的突破加速了钠离子电池的产业化进程。钠离子电池的能量密度、循环寿命、安全性能等关键技术指标也持续提升。市场上越来越多的钠离子电池产品问世，本文分享一款18650钠离子电池拆解解析信息。

电池规格信息为：

标称容量：1.2 Ah

标称电压：3.0 V

单价：1.1 美元/个，即0.31 美元/Wh

尺寸：直径18 mm × 高度65 mm

重量：37 g，即97.30 Wh/kg

内阻：≤ 25 mΩ（1 kHz，50% SoC）

电压范围：1.5 V 至 3.8 V

充电电流限制：

0.6 A (0.5 C) @ 0–10°C

1.2 A (1 C) @ 10–20°C

3.6 A (3 C) @ 15–25°C

6.0 A (5 C) @ 20–45°C

放电电流限制：9.6 A (8 C) @ 10–50°C

18650钠离子电池CT照片如图1所示，图1A为比较好的电池，图1B是老化失效的电池。电池顶盖上有CID部件，即电流中断装置。这是一种安全装置，当检测到异常条件（如内部压力过高）时，弹片会翻转断开电池的电路，以防止进一步的损坏或潜在的爆炸危险。由图可知，失效的电池金属外壳有明显的膨胀，CT照片中清晰可见损坏的 CID。

图1 18650钠离子电池CT照片

电池拆解后，极片尺寸如表2所示。卷绕结尾最外圈正负极和隔膜的布置如图2a所示，负极A面有1.5cm未涂覆区，B面有7.3cm未涂覆区，隔膜长度比正极多9.8cm。通过SEM照片测量的极片尺寸如表2和图2所示，此外还通过压汞法测试了极片和隔膜的孔隙率，具体参数为：

正极：

宽度：57.5 mm

长度：704 mm

活性涂层总面积：79,810 mm²

厚度（SEM）：128 μm

厚度（物理）：130 μm

单面涂层厚度：55 – 56 μm

集流体厚度：17 μm

孔隙率：29.9%（压汞法）

面密度：31.61 mg/cm2

负极：

宽度：59 mm

长度：769 mm

活性材料总面积：85,786 mm²

厚度（SEM）：160 μm

厚度（物理）：163 μm

单面涂层厚度：76 – 78 μm

集流体厚度：6 μm

孔隙率：31.4%（压汞法）

面密度：16.02 mg/cm2

隔膜：

厚度：15 μm

孔隙率：40.6%（压汞法）

表2 电池极片尺寸参数

图2 极片SEM尺寸测量

通过拆解分析，电池各个部分的质量如表3所示，电池总重37.175g，去点外面的绝缘膜重量为36.752g，电池壳体7.367g。卷芯29.385g，其中隔膜1.388g，负极极片10.062g，正极极片14.499g，电解液3.437g（提取方法见后）。

表3 钠离子电池各组件质量

电解液提取与分析

采用离心机对电解液进行提取。首先，将电池以600mA的恒流-恒压放电至1.5V，直至电流降至1mA，再转移至手套箱中。在氩气保护的环境中，移除电池的顶盖，包括电流中断装置（CID）。随后，将剩余的电池固定在电池支架上，该支架配备了一个可更换的1.5mL自动进样小瓶。此装置被插入一个锥形且密封的离心管中。将离心管从手套箱中取出后，置于Sigma 3-18K离心机中。离心机以4000转/分钟的速度开始离心过程，并在6小时内逐步增加至10000转/分钟，完成电解液的提取。最终，从单个电池中提取大约3.4g的电解液。

将离心的电解质用二氯甲烷以1：100的比例稀释，然后使用气相色谱-质谱法（GC-MS）分析提取的电解质中的溶剂成分，图3显示了提取的电解质的GC-MS色谱图。溶剂主要包括碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸亚乙酯（EC）和碳酸亚丙酯（PC）和丙酸乙酯（EP）。然后，再通过电感耦合等离子体-发射光谱法（ICP-OES）对200 µL电解质进行分析钠盐，电解液中钠的平均浓度约为1.42mol/L，NaPF6为主要的导电盐。

图3 电解质的GC-MS色谱图

使用配备火焰离子化检测器（FID）的气相色谱方法定量分析电解质的溶剂比例。从另外一个电池离心提取电解液，再次用二氯甲烷以1：100的比例稀释，随后使用GC-FID进行分析。首先，计算各检测溶剂的FID强度的积分，并乘以摩尔质量。然后将这些值除以从样本中获得的DMC的相对因子。测试2个电池计算平均值，得到结果为：41.8wt%的DMC、15.2wt%的EMC、14.3wt%的EP、7.3wt%的EC和21.4wt%的PC。

将一个不锈钢板垫片放置在纽扣电池壳内，将具有限定高度h为4 mm，内径d为10 mm的PTFE环放置在垫片上，把电500µL（理论内部空间314µL）解液封装在纽扣电池壳体内部，再放置另外一个垫片，封装纽扣电池壳体，采用EIS方法测试电解液的电导率。为了对比，同时还测试其他三种电解液，钠盐浓度都是1.2M，测试结果如图4和表4所示。根据以下公式计算电解液电导率：

图4 电解液的EIS测试结果

表4 电解液EIS电阻和离子电导率

为了验证EIS方法，使用常规电导率计对1.2M NaPF6的PC电解液进行测量，测得的电导率为0.64 S/m，与EIS结果接近。该钠离子电池电解液的离子电导率为0.98 S/m。

根据以下公式计算电解液的钠离子扩散系数：

式中， De表示扩散系数，ce 表示电解质中钠离子的浓度（1.42 mol/L)，σe 表示电解液的电导率。在25 °C时，钠离子扩散系数约为1.8e-10 m2/s。

活性物质分析

从拆解的电极上冲压出三个双面涂覆的直径20 mm圆形样品。测量样品重量后，将各样品溶解于12 mL王水中，溶解时间为15分钟，同时在170 °C加热沸腾。然后，过滤每份样品，并用去离子水稀释至总体积为100 mL。通过电感耦合等离子体-发射光谱法（ICP-OES）分析正负极活性物质成分。此外，还使用扫描电子显微镜（SEM）结合EDX分析活性材料的元素分布。测试结果如表5所示，分析结果包含电解液残留的钠盐，另外排除了集流体，质量分数为：25.3%Cu（负极）和12.1%Al（正极）。根据结果推断，正极的化学计量值Ni/Mn/Fe=1：1：1，即为镍-锰-铁（NaNixMnyFezO2，NMF）层状氧化物，具体为Na0.96Ca0.02Nix0.33Mn0.33Fe0.33O2。负极为硬碳。

表5 正负极活性物质元素分析

电极的孔隙结构

用压汞法分析了隔膜和正、负电极的孔结构，测试结果如图5所示。隔膜显示40.6%的最高孔隙率，负极和正极孔隙率分别为31.4%和29.9%。隔膜纳米级的孔径，其最常见的孔径在87.5 nm左右。正极和负极都表现出较大的孔径，分别为468 nm和687 nm。具体的正负极CT扫描形貌如图6-8所示。

图5 隔膜和正负极极片多孔结构分析

图6 正负极CT扫描形貌

图7 正负极CT扫描形貌

图8 负极（左侧）和正极（右侧）电极扫描电子显微镜照片

参考文献

[1]Hendrik Laufen, Sebastian Klick, Heinrich Ditler, Katharina Lilith Quade, Adrian Mikitisin, Alexander Blömeke, Moritz Schütte, David Wasylowski, Morian Sonnet, Laura Henrich, Alexander Schwedt, Gereon Stahl, Florian Ringbeck, Joachim Mayer, Dirk Uwe Sauer, Multi-method characterization of a commercial 1.2 Ah sodium-ion battery cell indicates drop-in potential, Cell Reports Physical Science, Volume 5, Issue 5, 2024, 101945

[2]Moritz Schütte, Hendrik Laufen, Daniel Luder, Heinrich Ditler, Jan Kern, Sebastian Klick, Mark Junker, Gereon Stahl, Fabian Frie, Dirk Uwe Sauer, First full cell parameterization of a commercial layered oxide/hard carbon sodium-ion 18650 battery cell for a physico-chemical model, Journal of Energy Storage, Volume 107, 2025, 114931

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来源：锂想生活

LGM50圆柱21700 电池拆解分析

LGINR21700 M50电池规格如下：n典型容量: 5000mAhn额定电压: 3.63Vn充电方法: CC-CVn充电电压: 4.20±0.05Vn标准可持续充电电流: 1455mAn标准充电截止电流: 50mAn放电截止电压: 2.50Vn可持续标准放电电流: 970mA n最大可持续放电电流n-30 ~ -20° C: 970mAn-20 ~ +5° C: 1455mAn+5 ~ +45° C: 7275mAn+45 ~ +60° C: 7275mAn重量: 68.0±1.0gn最大尺寸: D-21.10mm, L-70.15mmn存储温度: -20 ~ +45° C 对该电池进行拆解分析，流程如图1所示。电池放电状态下拆解，测量极片尺寸，观测极片微观形貌，对电极组成进行分析，然后再将电极组装成半电池和三电极电池，测试电化学性能。电池实际重量68.3g，不包括壳体的重量为57g。图1 电池拆解分析示意图电池极片尺寸如图2和图3所示，负极一侧存在2.5cm宽的未涂敷区，焊接极耳，负极另一侧未涂敷区8.5cm。负极极片总长度86cm，一侧涂敷层长83.5cm，另一层涂覆层长度77.5cm。负极极片宽度6.5cm。图2 负极极片尺寸正极极片总长度80cm，距离一端60cm的中间区域存在未涂敷区域，焊接极耳。正极宽度也是6.5cm。实际上负极的宽度和长度都需要比正极略大。这里实际的极片宽度应该负极更大一点，或者正极更小一点。图3 正极极片尺寸正、负极极片表面和截面的形貌如图4所示，通过FIB-SEM技术获取一系列极片截面形貌，正、负极极片三维重构形貌如图5所示。从图中大概可以看出正极是球形颗粒，负极主要是片状石墨和小颗粒硅基负极。图4 正、负极极片形貌图5 正极和负极FIB-SEM三维重构形貌通过对SEM照片中活性颗粒的尺寸数据，正极NMC、负极石墨和硅基颗粒的粒径分布如图6所示，三者平均粒径分别为5.22 µm（NMC正极）、5.86 µm（石墨负极）和1.52 µm（硅基负极）。图6 活性颗粒粒径分布：(a) 正极NMC，（b）负极石墨，(c)负极硅表1提供了拆解的LGM50电池中负极和正极的详细几何参数，包括：正极和负极的长度分别为79/79 mm和77.5/83.5 mm，宽度均为6.5 cm？；正极和负极的涂覆面积分别为1027 cm²和1046.5 cm²；正极和负极的单侧厚度分别为75.6 µm和85.2 µm；电流收集器的厚度分别为16 µm（铝，正极）和12 µm（铜，负极）；电极载荷分别为24.69 mg/cm²和14.85 mg/cm²；平均粒径分别为5.22 µm（NMC正极）和5.86 µm（石墨负极）；电解质体积分数（孔隙率）分别为33.5%（正极）和25%（负极）；电极的迂曲度（L/A）分别为4.8（正极）和14.25/13.93（负极）；Brüggemann常数分别为2.43（正极）和2.92/2.90（负极）。表1 电池参数如图7和图8以及表2和表3所示，LGM50电池的正极极片由NMC 811材料组成，电极中还包括碳纤维。具体来说，正极材料的化学分析表明其为NMC 811正极。通过能量色散X射线光谱（EDS）分析，正极材料中镍、钴、锰和铝元素在表面和粒子内部均有发现，且原子比为Ni: Mn: Co: Al = 82.9: 5.1: 10.6: 1.4。此外，正极材料的铝元素，可能来源于正极材料的添加剂或集流体。通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析，正极材料的原子比为Li: Ni: Mn: Co: Al = 82.4: 78.7: 5.5: 9.8: 5.9，表明正极材料是一种富含镍的NMC材料，具有特定的化学计量比和掺杂元素以提高稳定性通过元素分析确定的正极材料为Li0.833Ni0.80Mn0.08Co0.08Al0.04O2。锂元素的比例实际上可能和荷电状态有关。图7 正极极片形貌，显示其中包含碳纤维导电剂图8 正极扫描电镜照片和EDS元素分析，镍 (红色), 钴(绿色), 锰 (蓝色) 表2 正极EDS分析元素比例表3 正极元素EDS分析和ICP分析负极成分分析如图9和图10以及表4所示，LGM50电池的负极极片是由石墨和SiOx组成的双组分材料。图9 负极扫描电镜照片和EDS元素分析，碳 (红色), 硅(绿色), 氧 (蓝色) 图10 负极整体扫描电镜照片和EDS元素分析，碳 (红色), 硅(绿色) 表4 负极EDS分析元素比例隔膜形貌如图11所示，LGM50电池中的隔膜为陶瓷涂层聚烯烃隔膜，具有大约12微米的厚度，并且通过密度测试确认其为陶瓷涂层而非普通的聚烯烃膜，其SEM图像显示了隔膜的聚合物网状结构和陶瓷涂层。图11 隔膜聚合物侧和陶瓷涂层侧形貌参考资料：Chen, Chang-Hui, Ferran Brosa Planella, Kieran O’Regan, Dominika Gastol, W. Dhammika Widanage, and Emma Kendrick. 2020. "Development of Experimental Techniques for Parameterization of Multi-scale Lithium-ion Battery Models." Journal of The Electrochemical Society 167 (8): 080534.公众号持续更新和分享锂电技术知识与资讯，终于获得了留言功能，前往屏幕最下方即可写下留言，期待与大家更多地留言互动交流，感谢朋友们继续支持与关注。来源：锂想生活