鋰電池作為當下主流儲能電源之一，具有高能量密度、高額定電壓、低自放電率、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。隨著其制造成本的降低，已被越來越廣泛地應用于消費類電子產(chǎn)品、電動汽車以及儲能工程等領(lǐng)域中。

目前，業(yè)界對鋰電池的穩(wěn)定性及性能提出了更高的要求。要滿足這些要求，必須要從鋰電池的制造過程中尋找突破口，比如說極片的制備就很關(guān)鍵。在此工序中，正/負極極片通過卷繞或疊片等工藝，注入電解液，經(jīng)封裝充放電激活后就可以成為可以使用的電池，因此它們性能的優(yōu)劣會直接影響整個鋰電池成品的電化學性能。

鋰電池正極極片

雖說產(chǎn)品質(zhì)量靠生產(chǎn)，但要保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，檢測工序必不可少。在鋰電池極片中，涂敷層的結(jié)構(gòu)和性能是極片性能關(guān)鍵之所在，因此對相關(guān)參數(shù)進行檢測是很有必要的。

一、電池極片的制備

要了解需要被檢測的參數(shù)前，先認識一下鋰離子電池極片的制備過程：

鋰離子電池極片制備過程

第一步：先將由活性物質(zhì)、粘結(jié)劑、導電劑通過混漿均勻分散于溶劑中，制成電池漿料；

第二步：將上一步的電池漿料涂覆在集流體（負極銅箔和正極鋁箔）上，然后干燥涂層；

第三步:將干燥好的極片在重壓下壓實、壓薄，使鋰離子電池體積能量密度得以提高，保證粘結(jié)劑把活性成份和導電劑緊緊的精粘附在集流體上；

第四步：裁片和分切，直接把大卷冷壓好的極片在分切機上分切成指定寬度的小卷極片，等待然后把分切好的小卷保存在真空干燥箱中，待下一步使用。

鋰電池極片涂布過程

混合制備電池漿料、涂布、干燥和壓實工藝決定了漿料的均勻性、極片的厚度、機械性能和極片涂層的孔隙度，所以，極片制備過程直接影響了電池的使用性能——其中需要重點關(guān)注的是涂敷層上各種材料的顆粒大小和形狀。

二、極片檢測的重要參數(shù)

鋰離子電池極片涂層可看成一種復合材料，主要由三部分組成：①活性物質(zhì)顆粒；②導電劑和黏結(jié)劑相互混合的組成相（碳膠相）；③孔隙，填滿電解液。電極結(jié)構(gòu)主要包括組分、孔隙結(jié)構(gòu)、各組分的分散狀態(tài)及電極厚度及其均一度、比表面積等參數(shù)。

正極極片典型微觀結(jié)構(gòu)示意圖

1、孔隙結(jié)構(gòu)

多孔材料中的孔按其形態(tài)可分為交聯(lián)孔、通孔、半通孔和閉孔（如下圖所示），這幾種孔在電池反應過程中作用并不相同。

孔結(jié)構(gòu)示意圖

交聯(lián)孔和通孔是主要的鋰離子參與反應和傳輸?shù)闹饕ǖ溃话胪撞贿m用于鋰離子的完全傳輸，但在鋰離子順利進入這些孔隙的前提下，它可充當電化學反應的場所；閉孔因為鋰離子無法輸出，鋰離子傳輸和反應均無法進行，屬于無效孔。對于鋰離子電池極片的孔隙結(jié)構(gòu)，目前主要通過孔隙率、孔徑、孔徑分布及迂曲度等參數(shù)來描述這些復雜的孔結(jié)構(gòu)的孔數(shù)目和孔形態(tài)。

①孔隙率：是指多孔材料中孔隙的體積占多孔體表觀體積的比率。一般粒度分布越寬，不規(guī)則的小顆粒和大顆粒就越多，這些小顆粒會填充在其余顆粒堆積的孔隙中間（填充效應），從而減少孔徑和降低孔隙率，因此較寬粒度分布的電極往往具有較低的孔隙率。

②孔徑大小及分布：由于活性物質(zhì)顆粒的大小及制作工藝的不同，多孔電極內(nèi)孔的形態(tài)也各不相同，為了表述孔的大小，通常將孔模擬為圓柱，把圓柱形孔的底面直徑作為孔徑，所有圓柱形的平均孔徑d表示為孔的大小。

顆粒的形貌不同，堆積的孔結(jié)構(gòu)也不相同，有從業(yè)者研究了顆粒分布和形貌對于顆粒堆積孔隙率的影響，結(jié)果表明，均勻的顆粒分布和球形顆粒制備的電極可呈現(xiàn)最佳的孔隙率。

③迂曲度：顆粒形狀的不同，導致堆積的孔大多不是直通孔，迂曲度是描述多孔介質(zhì)中孔形態(tài)的重要參數(shù)，物理定義為物質(zhì)在孔介質(zhì)中的實際通過路徑長度Lt與介質(zhì)距離（厚度） L0的比值。孔隙率和迂曲度對電極中的鋰離子電導率和電解液擴散有重要影響。

多孔介質(zhì)流體流動示意圖

2、有效電極厚度

有效電極厚度（或電解液滲透厚度）是反映多孔電極利用率的一個指標，它表示多孔電極的反應可深入電極孔內(nèi)的距離。在整體設(shè)計定型的情況下，電極涂布和輥壓的均勻性是影響有效厚度的重要因素。總之，電極厚度越厚，液相離子的擴散路徑越長，電解液的擴散阻抗越大，電池的倍率性能越差。

3、電極組分分布

理想的電極是導電劑和粘結(jié)劑能夠均勻的分布在活性顆粒的表面、活性顆粒之間、活性顆粒和集流體界面之間，使得顆粒、添加劑及集流體之間的接觸足夠緊密，電子能夠順利的地到達顆粒表面任意一點參加電化學反應。

理想的電極微觀結(jié)構(gòu)示意圖

但實際上由于電極制作過程中的勻漿、涂布、烘烤及輥壓都存在較大的變量，因此各組分的混合狀態(tài)差異很大，這種差異性會直接影響到電極的整體性能。為了獲得理想的電極微觀結(jié)構(gòu)，研究者們近年來也有對傳統(tǒng)電極工藝進行創(chuàng)新或開發(fā)新工藝，以實現(xiàn)對電極微觀結(jié)構(gòu)的控制。

三、極片檢測的手段

為了表征和描述極片的微觀結(jié)構(gòu)，目前常用的成像方法包括光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、聚焦離子束-掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)和高空間分辨率的X射線顯微成像(XCT)。 雖然OM和SEM能夠獲得許多詳細的微觀結(jié)構(gòu)與形貌信息，但這只能獲得二維信息，三維成像技術(shù)能夠獲取更加詳細具體的電極信息，對研究電極微觀結(jié)構(gòu)與機理非常必要，因此研究鋰離子電池極片微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)的報道主要采用FIB-SEM和XCT技術(shù)。

FIB-SEM測試過程示意圖

另外，計算機仿真也是研究電極微觀結(jié)構(gòu)特征的一種高效方法，常應用于電極材料設(shè)計、電池極片設(shè)計和電極反應過程分析。 鋰離子電池的電化學模型描述了電池內(nèi)部不同組分復雜的物理-化學過程和機理，在優(yōu)化鋰離子電池的性能、設(shè)計、耐久性和安全性方面發(fā)揮重要作用，而且鋰離子電池模型能夠從宏觀到納米多尺度研究電極反應機理過程。

總結(jié)

以上只是簡單概括了極片檢測時的部分參數(shù)，除此之外導電劑分布、粘結(jié)劑分布等也會對電極物理和電化學性能產(chǎn)生重要影響。如果想了解更多關(guān)于鋰電材料檢測的相關(guān)內(nèi)容，可以關(guān)注即將在珠海舉辦的“2022全國新能源粉體材料暨增效輔材創(chuàng)新發(fā)展論壇（2022年12月25-27日）”，屆時來自廣州能源檢測研究院邵丹博士，將現(xiàn)場分享報告“鋰電池關(guān)鍵材料測評技術(shù)與應用”，為大家介紹鋰電池關(guān)鍵材料體系簡介、關(guān)鍵測評技術(shù)介紹以及實用案例。

引用資料：

巫湘坤， 詹秋設(shè)， 張?zhí)m， 張鎖江. 鋰電池極片微結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可控制備技術(shù)進展[J]. 應用化學， 35(9): 1076-1092

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