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前言

鋰離子電池是由正負(fù)極極片、隔膜以及電解液等組裝起來的一個多組分綜合體系，其中，正負(fù)極極片是提供和影響電池性能的重要組分。當(dāng)電池在工作時，電子和離子在極片中傳輸，發(fā)生一系列化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，因此極片的導(dǎo)電性以及導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的均勻性，是影響電池性能的重要因素之一。其中集流體作為鋰離子電池內(nèi)部導(dǎo)通電子和承載活性物質(zhì)的載體，對電芯的最終性能有著重要作用。鋁箔是最常用的正極集流體，為了提升電極的倍率、循環(huán)和使用壽命，在鋁箔表面涂敷一些導(dǎo)電涂層，可有效改善集流體與活性顆粒的界面接觸電阻，且提高活性物質(zhì)與集流體的粘結(jié)強(qiáng)度，減小電極循環(huán)過程中的活性顆粒剝落問題[1]。

圖1.空鋁箔與涂碳鋁箔的表面形貌示意圖[1]

目前涂碳鋁箔大部分都用于磷酸鐵鋰動力電池上，主要是因為橄欖晶型結(jié)構(gòu)LiFePO4材料本身電子和離子電導(dǎo)率低且存在與集流體的粘結(jié)不牢固等問題[2]，其應(yīng)用又受到了一定限制。涂碳鋁箔具有較低的接觸阻抗和較高的粘附性，將涂碳鋁箔材料應(yīng)用于LiFePO4正極集流體中，可降低兩者之間的電荷轉(zhuǎn)移電阻和電池的內(nèi)阻，弱化電池內(nèi)部極化，提高鋰離子在材料中的擴(kuò)散速率，進(jìn)而提升電池的倍率性能和循環(huán)性能等[3-5]。

圖2.涂碳集流體對電芯性能的影響示意圖[1]

本文主要結(jié)合使用元能科技（廈門）有限公司的極片電阻儀（BER2500，IEST）對比評估空鋁箔與涂碳鋁箔的空箔材電子導(dǎo)電性能、空鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片與涂碳鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片的電子導(dǎo)電性能，探究涂碳鋁箔對磷酸鐵鋰極片電子導(dǎo)電性能的改善作用。

一、測試條件

1.1 測試設(shè)備：

圖3為元能科技自主研發(fā)的極片電阻儀（BER2500，IEST），電極試樣直徑14mm，可施加壓強(qiáng)范圍5~60MPa。可同步采集極片的電阻、電阻率、電導(dǎo)率、壓實密度等參數(shù)，設(shè)備如圖3（a）和3（b）所示。

圖3.(a）BER2500外觀圖；（b）BER2500結(jié)構(gòu)圖

1.2 實驗流程：

（1）箔材電阻測試

①準(zhǔn)備一組空鋁箔和涂碳鋁箔，記為KB和TCB。

②在MRMS軟件上設(shè)置測試參數(shù)，選擇單點測試模式，壓強(qiáng)選擇5MPa、保壓15s，每張箔材采樣8個數(shù)據(jù)，軟件自動讀取箔材厚度、電阻、電阻率、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)。

（2）極片電阻測試

①準(zhǔn)備一組空鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片與涂碳鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片，記為K-LFP和TC-LFP。

②在MRMS軟件上設(shè)置測試參數(shù)，選擇單點測試模式，壓強(qiáng)選擇25MPa、保壓15s，每張極片采樣8個數(shù)據(jù)，軟件自動讀取極片厚度、電阻、電阻率、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)。

二、數(shù)據(jù)分析

2.1 箔材電阻分析：

圖4.兩種箔材的厚度、電阻和電阻率測試結(jié)果對比

圖4展示了兩種箔材的厚度、電阻和電阻率的測試對比結(jié)果，從厚度數(shù)據(jù)可看出，由于涂碳鋁箔的導(dǎo)電碳層是雙面涂布的，所以可以得到導(dǎo)電碳層厚度約2μm左右。對比這兩種箔材的電阻和電阻率：空鋁箔<涂碳鋁箔，說明在集流體上增加涂碳層后會降低箔材的導(dǎo)電性，主要是因為當(dāng)增加了涂碳層后，在采用兩探針原理測試出的箔材電阻時，會引入涂碳層本身和涂碳層與箔材之間的接觸電阻，使得電子的導(dǎo)電性減弱，所以涂碳鋁箔的電阻和電阻率會比空箔材大。對比測試電阻和電阻率的COV數(shù)值來看，有涂碳層的箔材電阻測試穩(wěn)定性會優(yōu)于空鋁箔，是由于涂碳層增加了鋁箔的表面粗糙度，有更多的電子通路，所以測試數(shù)據(jù)就更加穩(wěn)定。

圖5.兩種極片的厚度、電阻和電阻率測試結(jié)果對比

從圖5的兩種極片的電阻和電阻率的測試對比結(jié)果可以看出，雖然涂碳鋁箔的電阻比空鋁箔大，但是涂敷上活性物質(zhì)之后，使用涂碳鋁箔的極片電阻和電阻率比使用空鋁箔的磷酸鐵鋰極片低，且測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也更好，主要是因為涂碳鋁箔上的導(dǎo)電碳層可以增加磷酸鐵鋰與集流體之間的接觸面積，可以收集更多來自磷酸鐵鋰的微電流，提供極佳的靜態(tài)導(dǎo)電性能，從而可以大幅度降低磷酸鐵鋰和集流之間的接觸電阻。在全電池中也可以更快的傳遞電子，收集電流，從而提高電池倍率充放電性能。并且，涂碳層中也含有少量粘結(jié)劑，可以增強(qiáng)磷酸鐵鋰極片的柔韌性和機(jī)械緩沖性，從而提磷酸鐵鋰和集流之間的附著力，在電池進(jìn)行長循環(huán)時可以最大限度地減少由于長期循環(huán)反應(yīng)過程中界面處產(chǎn)生的應(yīng)力引起的接觸面積逐漸喪失而產(chǎn)生的相關(guān)問題。

三、總結(jié)

本文使用元能科技（廈門）有限公司研發(fā)的極片電阻儀（BER2500，IEST）對空鋁箔與涂碳鋁箔的空箔材電子導(dǎo)電性能、空鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片與涂碳鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片的電子導(dǎo)電性能進(jìn)行測試，并探究了增加碳涂層之后對箔材和磷酸鐵鋰極片的電子導(dǎo)電性的影響。使用涂碳鋁箔雖然會增加箔材的電阻和電阻率，但是可以改善箔材的電子導(dǎo)電的均勻性和一致性，涂布上磷酸鐵鋰之后，可以降低磷酸鐵鋰極片的電阻和電阻率且測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性也更好，從而可以有效改善磷酸鐵鋰電池中的內(nèi)阻。

總之，使用涂碳鋁箔其作用除了改善界面接觸電阻，還具有以下幾點潛在的協(xié)同效益：

(1) 化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定的導(dǎo)電層可以作為一種有效的擴(kuò)散屏障，阻止由于電解質(zhì)分解和鋰離子嵌入反應(yīng)過程中副反應(yīng)產(chǎn)生的氧的擴(kuò)散，有效地防止金屬集流體表面上形成氧化層，從而防止降解; 

(2) 合理配方的導(dǎo)電層具有較好的導(dǎo)電性，可以形成大面積的接觸，集流體和活性涂層界面電阻低，從而有利于快速的電荷轉(zhuǎn)移過程；

(3) 導(dǎo)電層的柔韌性和機(jī)械緩沖性可以增強(qiáng)物理界面的附著力，從而最大限度地減少長期循環(huán)反應(yīng)過程中界面處產(chǎn)生的應(yīng)力引起的接觸面積逐漸喪失而產(chǎn)生的相關(guān)問題。通過設(shè)計和開發(fā)獨特的導(dǎo)電涂層，實驗證明了導(dǎo)電界面層可以顯著提高電化學(xué)性能，例如比可逆容量、容量保持率、倍率性能等。

四、參考文獻(xiàn)

[1] Busson, C, Blin, M.A., Guichard, P., Soudan, P., Crosnier, O., Guyomard, D., & Lestriez, B. (2018). A primed current collector for high performance carbon-coated LiFePO4 electrodes with no carbon additive. Journal of Power Sources, 406, 7-17.

[2] 孔令涌，黃少真，尚偉麗，等. LiFePO4/膨脹石墨復(fù)合材料的制備及性能[J]. 電子元件與材料，2016，35(1)：64-67.

[3] 鄧龍征，吳鋒，高旭光，等 .涂碳鋁箔對磷酸鐵鋰電池性能影響研究[J]. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報，2014(4)：770-778.

[4] 馬守龍，楊茂萍，劉興亮，等 . 鋁箔涂碳對LiFePO4/C電池性能的影響[J]. 電池，2017，47(1)：39-42.

[5] 楊泛明，焦奇方，伍偉，等 . 涂碳鋁箔對LiFePO4動力電池性能影響[J]. 化工進(jìn)展，2019，38(10)：4639-4644.