壓實密度對鋰電池性能的影響分析

　　鋰離子電池一般工藝是將活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑一起配制漿料，利用涂布設(shè)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(jīng)過烘干后再進行反面涂布。

　　經(jīng)過雙面涂布的電極一般會經(jīng)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(jīng)過注液化成，就可以用于商業(yè)鋰離子電池。

　　研究發(fā)現(xiàn)，除了鋰離子電池電極活性物質(zhì)的固有屬性，電極的微觀結(jié)構(gòu)對電池的能量密度和電化學(xué)性能也有十分重大的影響。

　　在未經(jīng)碾壓的電極中，僅有50%的空間被活性物質(zhì)所占據(jù)，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(jié)構(gòu)，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(jié)劑和導(dǎo)電劑的分布，這會對鋰離子電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。

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

　　首先Cheolwoong Lim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(jié)構(gòu)，然后極片會制成扣式電池用于測試極片的電化學(xué)性能。

　　電極漿料配比為活性物質(zhì)，粘結(jié)劑和炭黑9433，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(shù)檢測極片發(fā)現(xiàn)，隨著壓實密度的上升，碳和粘結(jié)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的測試結(jié)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(tǒng)的觀點不同，Cheolwoong Lim的研究發(fā)現(xiàn)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，也能夠提高鋰離子電池的放電電壓。

　　研究表明，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(fā)現(xiàn)，當孔隙率低于75%時，鋰離子擴散速率并不是鋰離子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(tài)，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(huán)過程中電極顆粒脫落，形成絕緣狀態(tài)顆粒。

　　高的壓實密度可以明顯使電極的孔徑和孔隙的分布更加均勻，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑分布更加均勻，降低電極的接觸電阻和電荷交換阻抗，增大能夠參與反應(yīng)的活性面積，從而顯著的提高材料的電化學(xué)性能。

　　對于電極孔隙曲折度的分析和實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電極活性界面面積的提高對鋰離子電池倍率貢獻要明顯大于Li+在電解液中的擴散。因此，提高壓實密度并不會降低鋰離子電池的倍率性能，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。