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極片是電池前端工序的一個重要輸出，極片的電子電阻（電導(dǎo)率)影響全電池的功率性、可靠性及安全性，同時它又與攪拌、涂布和輥壓工序息息相關(guān)，因此，測量極片電阻的變化可以較好地評價極片制作過程中電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的性能，評估電極微觀結(jié)構(gòu)的均勻性以及監(jiān)控極片制作工藝的穩(wěn)定性，助力改進(jìn)極片的配方以及攪拌、涂布和輥壓工藝的控制參數(shù)。目前，極片的電子電阻主要采用兩探針法來表征極片的整體穿透內(nèi)阻，測出的總電阻包含涂層電阻、涂層與集流體界面電阻以及集流體本身電阻1??，例如表征單面極片的電子電阻的示意圖如圖1所示，其中，RAM表征電極涂層內(nèi)部的固體顆粒之間電子傳導(dǎo)能力的，R2代表涂層與集流體的接觸電阻，可用于評估粘結(jié)劑對涂層和集流體之間的粘附性能，而R1和R4是兩探針方法引入的寄生電阻，這兩部分是希望被扣除的。

在極片電子測試過程中，為了更加精細(xì)化地控制電極涂層的質(zhì)量，我們往往希望所測試的電阻值能夠進(jìn)一步進(jìn)行分解，分別計算出RAM、R2、R1和R4，然后更加精準(zhǔn)控制極片的質(zhì)量，比如優(yōu)化配方提高電極涂層的電導(dǎo)率、降低涂層與集流體的界面電阻等。本文目的是提供一種極片測試總電阻的分解方法。在分解接觸電阻時，首先假定活性材料電極層為純相導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，電子傳導(dǎo)滿足歐姆定律；其次，將測試過程引入的寄生電阻以及涂層與集流體的界面電阻統(tǒng)一歸為接觸電阻，則所測試的極片電阻包括兩個部分：電極涂層本身的電阻和接觸電阻。在以上假設(shè)基礎(chǔ)上，我們通過對不同厚度的極片電阻的測試來進(jìn)行接觸電阻分解，從而對不同狀態(tài)的接觸電阻進(jìn)行初步分析。

圖1. 兩探針法測試極片電阻示意圖

1. 實驗設(shè)備與測試方法

1.1 實驗設(shè)備

測試設(shè)備型號BER2500（IEST元能科技），電極直徑14mm，可施加壓強范圍5~60MPa。設(shè)備如圖2（a）和2（b）所示。

圖2 (a）BER2500外觀圖；（b）BER2500結(jié)構(gòu)圖

1.2 樣品制備與測試

制備三種狀態(tài)的三元極片：未輥壓、小壓力輥壓以及大壓力輥壓。采用BER2500極片電阻儀進(jìn)行固定壓強條件下（25MPa）的電阻測試。極片不同厚度的調(diào)控采用控制涂布刮刀的間隙實現(xiàn)，間隙尺寸分別為125μm、150μm、200μm、250μm、300μm。然后對這些極片分別進(jìn)行未輥壓、小壓力輥壓以及大壓力輥壓，每種涂布間隙下分別獲得三種極片。

圖3. 三種極片狀態(tài)

2. 數(shù)據(jù)分析

電池極片測試所獲得的電阻包括涂層本身電阻和接觸電阻。由于電極配方和制作工藝相同，在相同的壓實條件下，假設(shè)涂層的電阻率ρ是相同的，電極測試樣品的面積S也相同（直徑為14mm的圓），那么電極涂層的厚度L和電阻RAM的關(guān)系為：RAM = ρL/S。由公式可知，電極厚度越大，電極涂層電阻越大。而電極涂層的電阻率和電極配方（本文中所有樣品相同）及壓實密度（不同壓力下壓實密度不同）有關(guān)系。而接觸電阻Relse包括涂層側(cè)探針接觸電阻和涂層與集流體界面接觸電阻，集流體本身電阻R3和集流體側(cè)探針電阻R4很小，采用空鋁箔直接測試得到為0.5mΩ，相比于涂層而言可忽略不計。其中涂層側(cè)平面探針接觸電阻與涂層表面粗造度等狀態(tài)有關(guān)系，一般地。涂層表面越光滑，探針接觸電阻越小。而集流體和涂層的接觸電阻和電極壓實情況相關(guān)，壓實越大，涂層和集流體接觸面積越大，接觸越緊密，電阻越小。所測試的電極總電阻為：

RAM = ρL/S + Relse

對三種壓實狀態(tài)下，不同厚度的極片進(jìn)行電阻測試，電極測試總電阻和電極厚度的關(guān)系曲線如圖4所示。從5個點的擬合結(jié)果來看，總電阻與厚度基本滿足線性關(guān)系，且輥壓壓力越大，線性度越高，線性擬合得到的直線斜率以及截距結(jié)果列入表1。由公式可知，直線斜率為涂層的電阻率與面積的比值ρ/S，面積已知可計算ρ，截距即為接觸電阻Relse。

由圖4和表1可知，對于未輥壓的極片，涂層電阻率比較小，而隨著輥壓壓力增加，涂層電阻率反而越來越大。正極極片中，活性顆粒的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于導(dǎo)電劑，電子主要通過導(dǎo)電劑傳輸。在未輥壓的極片中較高含量的導(dǎo)電劑已經(jīng)形成了完整的三維導(dǎo)電滲透網(wǎng)絡(luò)，電阻率比較小。而輥壓之后，活性顆粒之間不斷壓實相互接觸，反而將這種導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)切斷，電極電阻率不斷升高。極片涂層電阻和電極配方特別是導(dǎo)電劑含量以及涂層壓實密度都有關(guān)系，當(dāng)未輥壓極片可能還沒有形成導(dǎo)電滲透網(wǎng)絡(luò)時，適當(dāng)輥壓能夠增加導(dǎo)電劑之間的連通性，降低電阻。因此，電極涂層需要根據(jù)電極配方和微觀結(jié)構(gòu)特征優(yōu)化壓實情況。

從數(shù)據(jù)上看，當(dāng)極片未輥壓時，兩種接觸電阻占總電阻的比值較大，達(dá)到52.8%，這主要也是由于未輥壓的極片中涂層與集流體的粘接力不強，界面接觸電阻比較大。當(dāng)隨著輥壓壓力增大，涂層與集流體粘結(jié)力逐漸增強時，接觸面積增加，電阻降低；另外輥壓后涂層表面更加平整，涂層側(cè)的探針接觸電阻也更小，兩種接觸電阻的占比僅為6.7%，這說明對于大壓力輥壓（壓實密度約3.5g/cm3）的極片，采用兩探針法評估活性材料層的電子導(dǎo)電性時受寄生電阻影響較小。

圖4. 三種狀態(tài)極片的電阻測試曲線

表1. 接觸電阻占比統(tǒng)計

3. 總結(jié)

本文通過對不同厚度的正極極片電阻的測試，結(jié)合歐姆定律，分解極片中的接觸電阻，發(fā)現(xiàn)當(dāng)極片的壓實較高時，活性材料層與集流體的接觸電阻以及測試端子與極片表面的接觸電阻占比較小，因此可更加客觀的評估活性材料層的電子導(dǎo)電性。（點擊文末閱讀全文可下載產(chǎn)品資料）

文獻(xiàn)原文

1. B.G. Westphal et al. Influence of high intensive dry mixing and calendering on relative electrode resistivity determined via an advanced two point approach. Journal of Energy Storage 2017, 11, 76–85

2. Hiroki Kondo et al. Influence of the Active Material on the Electronic Conductivity of the Positive Electrode in Lithium-Ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 2019,166 (8) A1285-A1290

3. 許潔茹，李泓等，鋰電池研究中的電導(dǎo)率測試分析方法. 儲能科學(xué)與技術(shù)，2018,7(5) 926-955.

4. Nils Mainusch et al. New Contact Probe and Method to Measure Electrical Resistances in Battery Electrodes Energy Technol. 2016, 4, 1550-1557