锂离子电池极片特性参数及观测方法

本思维导图系统地整理了锂离子电池极片的特性参数（组分分布、孔隙率，迂曲度等），并介绍了这些特性的一般规律以及观测方法。敬请各位同行批评指正！

锂离子电池极片特性参数及观测方法

• 1. 孔隙结构
  • 孔隙率
    • 定义
      • 是指多孔材料中孔隙的体积占多孔体表观体积（或称总体积）的比率
    • 计算方法
      • • • 活物质密度等这里的密度指的是“真密度”
        • • 实际工作经验中，铜箔铝箔的延展率可以忽略不计
    • 观测方法
      • BET法
        • 测量仪器名称
          • 比表面积与孔隙度分析仪
        • 常见仪器牌号
          • 美国麦克默瑞提克TriStarII 3020 000e
          • 美国康塔公司NOVA4
          • 北京精微高博JW-BK系列
      • 汞压入法
  • 迂曲度
    • 定义
      • 物理定义为物质在孔介质中的实际通过路径长度Lt与介质距离（后）L0的比值
    • 迂曲度越大，相应的液相扩散能力越弱
  • 粒径对孔结构的影响
    • 孔隙率基本不受孔径大小或者颗粒粒径大小影响
    • 迂曲度与孔径大小负相关，孔径越小，迂曲度越大
  • 形貌对孔结构的影响
    • 层叠结构（片状）孔隙较小，球形颗粒的大孔径可保证锂离子在孔内顺畅的传导，因此用球形石墨制备的电池具有更优良的倍率性能
  • 粒度分布对孔结构的影响
    • 粒度分布越宽，不规则的小颗粒和大颗粒就越多，这些小颗粒会填充在其余颗粒堆积的孔隙中间（填充效应），从而减少孔径和降低孔隙率
• 2. 有效电极厚度
  • 定义
    • 有效电极厚度（或电解液渗透厚度）试反映多孔电极利用率的一个指标。如果电极的厚度小于或接近渗透厚度，则多孔电极从表面到内部都能得到较充分的利用
  • 一般规律
    • 电极厚度越厚，液相离子的扩散路径越长，电解液的扩散阻抗越大，电池的倍率性能越差。
• 3. 电极组分分布
  • 定义
    • 理想的电极是导电剂和粘结剂能够均匀的分布在活性颗粒的表面、活性颗粒之间、活性颗粒和集流体界面之间，使得颗粒、添加剂及集流体之间的接触足够紧密，电子能够顺利的地到达颗粒表面任意一点参加电化学反应
  • 一般规律
    • 以粘结剂为例，如果颗粒之间或者颗粒和集流体之间没有足够的粘结剂，电池在循环过程中则会因为颗粒的反复脱嵌则会导致颗粒之间的接触断开，从而使得电池容量急剧衰减。
    • 于负极，由于水的沸点较低，表面张力较大，温度设置较高时，涂层水分急剧蒸发，这会导致其中携带的粘结剂也急剧上升，从而更多聚集于电极的表面.
  • 观测方法
    • PVDF
      • 通过对特征F元素进行简单的EDS能谱扫描即可实现。
    • SBR
      • 通过锇酸标记SBR（与双键反应），配合EPMA扫描可实现了负极的断面粘结剂分布
• 4. 多孔电极浸润性
  • 定义
    • 极片浸润性通常用体系浸润时间或者浸润速率来进行表示
  • 影响因素
    • 电解液与极片的固液相接触角、液相黏度，固相孔结构
  • 观测方法
    • 滴电解液法
• 5. 电子电导率
  • 定义
    • 电子主要通过固体颗粒，特别是导电剂组成的三维网络传导至活物质颗粒/电解液界面参与电极反应
    • 电子电导率直接影响电芯的倍率性能
  • 影响因素
    • 箔基材与涂层的结合界面情况，导电剂分布状态，颗粒之间的接触状态等。
  • 观测方法
    • 四探针膜阻抗测试法
    • 两探针极片整体电阻率直接测量法
• 6. 电化学有效面积
  • 定义
    • 电化学比表面是相应于能有效参与某一确定电极反应的那一部分表面。
  • 观测方法
    • 气体吸附法（BET）
      • 其实就是测比表，结果回避有效表面积大
    • 电化学方法
      • 测量界面电容值或电化学吸附量来计算表面积
      • 通常采用适用于测量粗糙表面的双电层电容的“恒电位阶跃法”
• 7. 电极水分含量
  • 观测方法
    • 卡尔费休库伦法