鉅大LARGE | 點擊量：1239次 | 2020年03月09日
鋰離子電池極片電導率的方向差異、微觀局部區域差異
鋰離子電池充放電過程中，電池極片內部存在鋰離子和電子的傳輸，其中電子重要通過固體顆粒，特別是導電劑組成的三維網絡傳導至活物質顆粒/電解液界面參與電極反應。電子的傳導特性對電池性能影響大，而電池極片中，影響電導率的重要因素包括箔基材與涂層的結合界面情況，導電劑分布狀態，顆粒之間的接觸狀態等。通過電池極片的電導率能夠判斷極片中微觀結構的均勻性，預測電池的性能。
實際上，極片電導率更加復雜，可能存在方向上的差異，微觀局部不均勻等。
文獻1研究了正極極片電導率在方向上的差異。作者分別采用四探針法測量了極片平行集流體方向（Inplane）上的電導率，采用微型二探針法測試了電極截面上電導率，此時電流方向與實際工作時一致，垂直于集流體方向（Outofplane）。
2μm硅和CNT電極在不同CNT含量下，平行集流體（Inplane）與垂直集流體方向（Outofplane）電導率，兩個方向上的比較存在明顯差異，垂直集流體方向（Outofplane）的電導率比平行集流體（Inplane）小約1000倍。但是，電極實際工作中，電子傳輸方向是垂直集流體方向（Outofplane），這個方向電導率對電池性能影響更大，而且電導率數值與EIS擬合得到的電極電導率相近，如圖1所示。
圖12μm硅和CNT電極在不同CNT含量下，垂直集流體方向電導率（Outofplane）和交流阻抗譜擬合得到的電極電導率（Electrode）
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
更進一步的，文獻2采用納米級四探針測試了電極片各個微觀區域內的電導率，具體的測試設備如圖2所示，探針尺寸為納米級，通過精密控制系統移動樣品或者探針測量各個區域的電導率，從而，獲得了電導率分布圖譜，如圖3所示。
圖2四探針測試SEM圖，探針尺寸為納米級
圖3是電池極片電子傳輸電阻圖譜，其中（a）是極片中電子與離子傳輸示意圖；（b）是HE5050極片電阻圖譜，活性物質為直徑小于1微米的NMC三元材料，極片電阻值范圍為21-41mΩcm2；（d）是TODA523極片電阻圖譜，活性物質為微米級的NMC三元材料，極片電阻值范圍為6-9mΩcm2；（c）是兩種極片在位置A、B、C對應的電阻率以及A-C兩點之間的距離。A是電導率最高的位置，是電導率最低的位置，B居于兩者之間。
圖3電池極片電導率圖譜。（a）電子與離子傳輸示意圖，（b）HE5050極片電阻圖譜，（c）兩種極片在位置A、B、C對應的電阻率，（d）TODA523極片電阻圖譜。
極片電阻率圖譜與電極微觀結構特征相互關聯，作者對兩種極片電導率高A、中B、低C三個的區域分析極片形貌。微米級活性材料極片TODA523，不同電導率三個位置對應的極片微觀形貌分別為，圖4（a、b）是電導率高A位置。圖4（c、d）是電導率高B位置。圖4（e、f）是電導率高C位置。SEM照片可以分辨出活性物質，導電劑和粘結劑混合相以及孔隙。
圖4微米級TODA523三元極片SEM形貌及圖像處理（活性物質、導電劑、孔隙）：（a、b）高電導率A位置，（c、d）中電導率B位置，（e、f）低電導率C位置。
圖5是亞微米級HE5050三元極片SEM形貌及圖像處理，由于活性物質顆粒細小，無法分辨碳膠相，圖像處理只能區分為固體相和孔隙。
圖5亞微米級HE5050三元極片SEM形貌及圖像處理（活性物質、孔隙）：（a、b）高電導率A位置，（c、d）中電導率B位置，（e、f）低電導率C位置。
作者通過圖像分析和電子鋰離子傳輸模型，研究表明極片中A位置的微觀形貌不僅電子電導率高，同時也具有高的鋰離子傳輸速率。理想的電極微觀形貌應該像位置A一樣。
