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正負(fù)極粉體材料、隔膜、電解液、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、集流體等是鋰離子電池制造的主要原材料；鋰離子電池的生產(chǎn)就是以最優(yōu)的工藝條件將這些原材料加工成電池的過程。這些原材料的參數(shù)發(fā)生改變需要針對性的對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，才能獲得最優(yōu)電性能的鋰離子電池。鋰離子電池正、負(fù)極極片參數(shù)設(shè)計(jì)是鋰電工藝開發(fā)的關(guān)鍵，包含活性物質(zhì)負(fù)載、孔隙率、厚度以及活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑之間的比例。其中導(dǎo)電劑的類別、含量、性能等是影響鋰離子電池充放電過程中電子傳輸?shù)年P(guān)鍵因子，而電子傳導(dǎo)特性直接決定電化學(xué)性能的優(yōu)劣。實(shí)際極片工藝設(shè)計(jì)中，活性物質(zhì)尤其是正極材料電子導(dǎo)電性能相對較差，電子傳輸路徑主要通過導(dǎo)電劑路徑來實(shí)現(xiàn)，如圖1為理想狀態(tài)下鋰電極片的的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。極片的電子導(dǎo)電性能影響著電池的各項(xiàng)基本性能，不僅限于電芯的功率性能，而且影響電芯的可靠性以及安全性能。極片電阻可以較好地評價(jià)電極制作過程中電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的性能或電極微觀結(jié)構(gòu)的均勻性，助力研究和改進(jìn)電極的配方以及混合、涂布和輥壓工藝的控制參數(shù)。鋰電當(dāng)前的研究中越來越多的研究人員在關(guān)注極片層級的電子導(dǎo)電性能同時(shí)，也會(huì)關(guān)注鋰電粉體材料的電子導(dǎo)電性能，并嘗試找出兩者的關(guān)聯(lián)性，以便從粉體材料層級直接預(yù)估極片層級的電子導(dǎo)電性能。

圖1.理想電極微觀結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要結(jié)合NCM523系列鋰離子電池粉體材料，結(jié)合粘結(jié)劑PVDF及導(dǎo)電劑SP進(jìn)行粉體層級預(yù)混后評估混合粉體的電子導(dǎo)電性能，同時(shí)對同等配比的粉體進(jìn)行漿料制備及涂布，評估成品極片的電子導(dǎo)電性能，明確導(dǎo)電劑對各層級導(dǎo)電性能的影響，并對其相關(guān)性進(jìn)行初步探究。

1.測試方法

1.1 測試設(shè)備：采用PRCD3100（IEST-元能科技）系列粉末電阻儀對粉體材料的導(dǎo)電性能進(jìn)行測定評估；采用BER2500（IEST-元能科技）系列極片電阻儀對極片導(dǎo)電性能進(jìn)行評估。

圖2. (a）PRCD系列外觀&結(jié)構(gòu)示意圖；

（b）BER系列外觀&結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 樣品制備與測試

1.2.1 分別按照：NCM:PVDF=19:1及NCM:SP:PVDF=18:1:1配比充分混合制備不同NCM配比的混合粉體并進(jìn)行10-200MPa范圍內(nèi)的粉體電阻測試； 

1.2.2 按照表1配比參數(shù)進(jìn)行漿料制作，用200μm刮刀進(jìn)行手動(dòng)涂布，并對制得極片進(jìn)行極片電阻測試。

表1. 極片制備漿料配比

2.測試結(jié)果

分別對SP、NCM及混合粉體NCM+PVDF和NCM+SP+PVDF進(jìn)行粉體電阻測試，從表2及圖3測試結(jié)果上可以看出，無論是在低壓強(qiáng)還是高壓強(qiáng)下，在NCM活性粉體中加入粘結(jié)劑PVDF后，電子導(dǎo)電性明顯變差，而加入具有較好導(dǎo)電性的SP之后，混合粉體電子導(dǎo)電性得到明顯提升。鋰離子電池正極活性粉體電子導(dǎo)性能評估過程中，電子導(dǎo)通多為顆粒與顆粒之間的接觸導(dǎo)通，加入電子導(dǎo)電性能差的PVDF粉體后，PVDF粉體會(huì)降低原有活性顆粒間的接觸占比，造成整體導(dǎo)通路徑的改變，進(jìn)而導(dǎo)致整體電子導(dǎo)電性能的下降。導(dǎo)電劑在鋰離子電池電極中的作用是提供電子傳輸?shù)耐ǖ溃m量的導(dǎo)電劑含量能獲得相對較高的放電容量和較好的循環(huán)性能，導(dǎo)電劑含量過過高或過低都會(huì)對電性能造成影響，導(dǎo)電劑含量太高時(shí)會(huì)降低活性物質(zhì)的相對含量，使電池的比容量降低，而含量過低時(shí)電子導(dǎo)通通道少，對大電流充放電不利，電極中活性物質(zhì)的利用率也相對較低。從粉體電阻的測試結(jié)果上看，導(dǎo)電劑SP相對于活性粉體NCM有非常優(yōu)越的電子導(dǎo)電性能，在NCM+PVDF混合粉體中加入SP后，全壓強(qiáng)范圍內(nèi)粉體電子導(dǎo)電性能也得到了顯著提升，主要也是因?yàn)榧尤雽?dǎo)電性好的SP后，實(shí)際粉體測定過程的電子導(dǎo)通路徑發(fā)生的改變，更多是沿著導(dǎo)電性較好的SP路徑傳輸，也進(jìn)一步明確了導(dǎo)電劑在鋰離子電池電極中的主要作用。

表2. 粉體電阻測試結(jié)果對比表

圖3.10MPa&200MPa壓強(qiáng)條件下粉體電阻測試結(jié)果

為進(jìn)一步明確材料之間電子導(dǎo)電性能的關(guān)聯(lián)性，針對不同粉體按照表1配比進(jìn)行漿料制備，并結(jié)合刮刀進(jìn)行同等條件下的手動(dòng)涂布，制成極片后進(jìn)行極片電阻測試。如表3&圖4為極片電阻測試結(jié)果，不同配比下極片的電子導(dǎo)電性能差異較大，與表2&圖3混粉電阻結(jié)果進(jìn)行對比，在極片層級同樣呈現(xiàn)出加入導(dǎo)電劑SP后導(dǎo)電性得到快速提升的現(xiàn)象，進(jìn)一步明確無論在預(yù)混粉體層級還是極片層級導(dǎo)電劑的加入都可以有效提升電子導(dǎo)電通路。實(shí)際電極工藝開發(fā)階段對導(dǎo)電劑配比的優(yōu)化也是至關(guān)重要的，導(dǎo)電劑的用量和導(dǎo)電劑材料的粒徑、活性材料的比表等條件緊密相關(guān)?；钚晕镔|(zhì)比表面積越大，導(dǎo)電劑粒徑越大，導(dǎo)電劑用量越多，應(yīng)以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)逾滲理論模型為參考進(jìn)行系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)配比。

表3.極片電阻測試結(jié)果對比表

圖4.不同配方下極片電阻測試結(jié)果均值對比

3.總結(jié)

本文采用PRCD系列粉體電阻檢測設(shè)備和BER系列極片電阻檢測設(shè)備從混合粉體和極片兩個(gè)層級進(jìn)行電阻性能的系統(tǒng)化評估，明確導(dǎo)電劑的作用及影響，明確了不同層級間具有趨勢上的關(guān)聯(lián)性，以此為基礎(chǔ)可進(jìn)一步優(yōu)化體系配方，從粉體性能對極片層級的性能進(jìn)行初步預(yù)估，為鋰離子電池工藝研發(fā)提供一種新思路。

4.參考資料

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2. Kentaro Kuratani et al. Journal of The Electrochemical Society, 166  (2019) (4) A501-A506.

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5.mikoWoo@理想生活.鋰離子電池極片理論及工藝基礎(chǔ).