壓實密度對鋰離子電池性能的影響分解

鋰電池一般工藝是將活性物質、導電劑、粘結劑和溶劑一起配制漿料，利用涂布設備在集流體(一般是銅箔或者鋁箔)涂布一層具有一定厚度的漿料，經過烘干后再進行反面涂布。

經過雙面涂布的電極一般會經過一到兩次碾壓，以便控制電極的孔隙率和密度，最后電極會進行分切，并卷繞電芯，最后組合成為電池，經過注液化成，就可以用于商業鋰電池。

研究發現，除了鋰電池電極活性物質的固有屬性，電極的微觀結構對電池的能量密度和電化學性能也有十分重大的影響。

在未經碾壓的電極中，僅有50%的空間被活性物質所占據，提高壓實密度，可以有效的提高電極的體積能量密度和重量能量密度，但是這也會影響電極結構，例如孔隙率、比表面積、孔徑分布和彎曲度等，同時也會影響電極中粘結劑和導電劑的分布，這會對鋰電池的電化學性能萌生顯著的影響。

美國的印第安那波利斯普渡大學的CheolwoongLim等利用了目前最先進的X射線納米斷層掃描技術(nano-CT)研究了LiCoO2電極壓實密度對電極電極結構和電化學性能的影響。

首先CheolwoongLim利用相同的工藝制備了多片LiCoO2極片，并將其碾壓至不同厚度，他們首先利用同步傳輸X射線顯微鏡(XMT)重建了不同極片的孔隙結構，然后極片會制成扣式電池用于探測極片的電化學性能。

電極漿料配比為活性物質，粘結劑和炭黑94：3：3，在NMP中分散，然后涂布于鋁箔上，涂布厚度從40μm到80μm，最后這些電極都將被碾壓到40μm以得到不同的壓實密度，極片的壓實密度從2.2g/cm3到3.6g/cm3。

通過nano-CT技術測試極片發現，隨著壓實密度的上升，碳和粘結劑的體積密度會上升，孔隙率會下降，比表面積上升，彎曲度上升，接觸電阻下降，電極電解液界面膜SEI阻抗會降低，電荷交換阻抗下降。

從XMT的探測結果可以看到，隨著壓實密度從2.2g/cm3提升到3.6g/cm3，電極的孔隙率會從50%左右下降到了30%左右。

與傳統的觀點不同，CheolwoongLim的研究發現壓實密度的上升可以使得材料的放電比容量更高，倍率性能更好，容量保持率也更高，也能夠提高鋰電池的放電電壓。

研究聲明，即使壓實密度達到3.6g/cm3，在4C的放電倍率下，鋰離子擴散依速率然不是限制因素，進一步的研究發現，當孔隙率低于75%時，鋰離子擴散速率并不是鋰電池的倍率性能的限制因素。

較低的壓實密度反而會造成放電比容量低的問題，這主要是較高的孔隙率造成部分顆粒形成絕緣狀態，無法參與充放電，而高壓實密度的電極有更高的斷裂強度，從而避免在循環過程中電極顆粒脫落，形成絕緣狀態顆粒。

高的壓實密度可以分明使電極的孔徑和孔隙的分布更加平均，導電劑和粘結劑分布更加平均，降低電極的接觸電阻和電荷交換阻抗，增大能夠參與反應的活性面積，從而顯著的提高材料的電化學性能。

對于電極孔隙蜿蜒度的分解和試驗結果發現，電極活性界面面積的提高對鋰電池倍率貢獻要分明大于Li+在電解液中的擴散。因此，提高壓實密度并不會降低鋰電池的倍率性能，反而能夠在提高電池容量的同時，進一步提高容量保持率和倍率性能。

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