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1. 引言

鋰離子電池作為一種高效、環(huán)保的儲能器件，已廣泛應用于電動汽車、消費電子等領(lǐng)域。極片作為電池的核心組件之一，其性能直接影響了電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能。極片柔韌性是指極片在外力作用下發(fā)生形變而不破裂的能力，是評價極片機械性能的重要指標。

極片柔韌性較差會導致充放電過程中極片開裂、粉化，活性物質(zhì)與集流體之間的接觸變差，內(nèi)阻增加，容量衰減加快，最終縮短電池壽命。此外，極片柔韌性差還會增加電池在受到機械沖擊時發(fā)生內(nèi)部短路的風險，威脅電池安全。因此，研究極片柔韌性的影響因素并開發(fā)高柔韌性極片材料具有重要意義。極片主要由活性物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑和集流體組成（圖1），各組分通過協(xié)同作用共同調(diào)控其柔韌性。以下將逐一剖析四者的角色與影響機制。

圖1. 極片各組分構(gòu)成

2. 活性物質(zhì)：體積變化與應力分布的“主導者”

活性物質(zhì)是極片中儲存和釋放鋰離子的主體，其種類和形貌等都會影響極片柔韌性。

種類：不同活性物質(zhì)在充放電過程中的體積變化率不同，例如硅碳負極的體積膨脹率高達300%，而石墨負極材料的體積膨脹率僅為10%左右。體積的改變是由應力引起的，局部應力會導致負極顆粒從內(nèi)部斷裂或者SEI膜剝落（圖2）。不管是顆粒內(nèi)部斷裂還是表面SEI膜脫落，裸露出的電極都會有新的SEI膜生成，加快電極老化。

形貌：球形或類球形活性物質(zhì)顆粒有利于提高極片的柔韌性，這是因為其具有較高的堆積密度和均勻的應力分布，能夠有效緩沖體積變化產(chǎn)生的應力，而片狀或針狀顆粒容易形成應力集中點，導致極片局部開裂。

圖2. 材料開裂示意圖

3. 導電劑：導電網(wǎng)絡與機械強度的“雙刃劍”

導電劑的主要作用是提高極片的電子導電性，其種類、含量和分散性也會影響極片柔韌性。

種類：碳納米管、石墨烯等一維或二維導電劑可以形成三維導電網(wǎng)絡，連接活性物質(zhì)顆粒和集流體，提高極片的機械強度和柔韌性。

含量：適量導電劑：形成連續(xù)導電網(wǎng)絡，提高極片導電性和機械強度。過量導電劑：占據(jù)活性物質(zhì)空間，降低極片能量密度，同時可能增加脆性。

分散性：導電劑均勻分布可有效緩沖應力，提高極片柔韌性。導電劑團聚會導致局部應力集中，降低極片柔韌性。

4. 粘結(jié)劑：極片各組分的“粘合劑”

粘結(jié)劑是極片的重要組成部分，其主要作用是粘結(jié)活性物質(zhì)、導電劑和集流體，賦予極片一定的機械強度。粘結(jié)劑的種類、含量和分子量都會影響極片柔韌性。

種類：不同粘結(jié)劑的機械性能和粘結(jié)強度不同，例如PVDF粘結(jié)劑具有較高的機械強度，但柔韌性較差，容易在充放電過程中開裂；而SBR是高彈性模量粘結(jié)劑能夠有效緩沖體積變化產(chǎn)生的應力，提高極片柔韌性。

含量：粘結(jié)劑含量過低會導致極片機械強度不足，容易開裂；含量過高則會降低極片中活性物質(zhì)的比例，影響電池的能量密度。

分子量：高分子量粘結(jié)劑可以形成更牢固的粘結(jié)網(wǎng)絡，提高極片的機械強度，但可能會降低極片的柔韌性。

5. 集流體：極片的“支撐骨架”

集流體是極片中電子傳輸?shù)妮d體，其材質(zhì)、厚度和表面處理都會影響極片柔韌性。

材質(zhì)：如銅箔和鋁箔，具有一定的延展性和柔韌性，能為極片提供基本的力學支撐，有助于提高極片的柔韌性。但如果集流體本身較厚或純度不高，雜質(zhì)較多，可能會降低其柔韌性，進而影響極片的柔韌性。

厚度：集流體厚度增加，極片的整體強度會提高，但柔韌性可能會下降。因為較厚的集流體在彎曲時需要更大的力，容易產(chǎn)生裂紋。

表面處理：對集流體表面進行粗糙化處理可以增加其與活性物質(zhì)之間的接觸面積，增加附著力，使兩者結(jié)合更牢固，提高極片的柔韌性。但如果粗糙度太大，可能會導致活性物質(zhì)分布不均勻，反而降低極片的柔韌性。

6. 極片柔韌性創(chuàng)新型檢測方法

極片柔韌性是影響鋰離子電池循環(huán)壽命和安全性能的關(guān)鍵因素之一。通過優(yōu)化極片組分和制備工藝，可以開發(fā)出高柔韌性極片，從而提高電池的循環(huán)壽命和安全性能，推動鋰離子電池技術(shù)的進一步發(fā)展。為精準評估極片柔韌性，元能科技開發(fā)了基于應力-應變曲線的檢測設備（圖3）。該方法通過固定極片并施加位移，實時測量形變過程中的應力與應變（壓力-位移曲線），定量分析柔韌性。這一技術(shù)為優(yōu)化極片組分與工藝提供了數(shù)據(jù)支撐，助力高柔韌性極片的研發(fā)。

圖3. 元能科技-極片柔韌性測試系統(tǒng)

7. 小結(jié)

極片柔韌性是電池性能與安全的核心指標之一。通過協(xié)同優(yōu)化活性物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑與集流體的選型及配比，并借助先進的檢測手段，顯著提升極片的綜合性能，為下一代高能量密度、長壽命鋰離子電池的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。