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(jìn)行反面涂布。
經(jīng)過雙面涂布的電極一般會(huì)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(huì)進(jìn)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(duì)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(shí)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(huì)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(shí)也會(huì)影響電極中粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的分布，這會(huì)對(duì)鋰離子電池的電化學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響。
美國(guó)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(jìn)的X射線納米斷層掃描技術(shù)(nano-CT)研究了LiCoO2電極壓實(shí)密度對(duì)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(huì)制成扣式電池用于測(cè)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(shí)密度，極片的壓實(shí)密度從2.2g/cm3到3.6g/cm3。
通過nano-CT技術(shù)檢測(cè)極片發(fā)現(xiàn)，隨著壓實(shí)密度的上升，碳和粘結(jié)劑的體積密度會(huì)上升，孔隙率會(huì)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(huì)降低，電荷交換阻抗下降。
從XMT的測(cè)試結(jié)果可以看到，隨著壓實(shí)密度從2.2g/cm3提升到3.6g/cm3，電極的孔隙率會(huì)從50%左右下降到了30%左右。
與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)不同，Cheolwoong Lim的研究發(fā)現(xiàn)壓實(shí)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(shí)密度達(dá)到3.6g/cm3，在4C的放電倍率下，鋰離子擴(kuò)散依速率然不是限制因素，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔隙率低于75%時(shí)，鋰離子擴(kuò)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(shí)密度反而會(huì)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(wú)法參與充放電，而高壓實(shí)密度的電極有更高的斷裂強(qiáng)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(shí)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(duì)于電極孔隙曲折度的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電極活性界面面積的提高對(duì)鋰離子電池倍率貢獻(xiàn)要明顯大于Li+在電解液中的擴(kuò)散。因此，提高壓實(shí)密度并不會(huì)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(shí)，進(jìn)一步提高容量保持率和倍率性能。 
CONTACT US
ICC APP
