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為了提升鋰離子電池的體積能量密度，研發(fā)人員主要從兩方面著手：1、提升正負(fù)極材料克容量；2、增大正負(fù)極極片壓實(shí)密度。其中極片的壓實(shí)密度與活性材料真密度、材料形貌、材料粒徑分布及極片工藝有關(guān)。材料真密度（True Density）是指材料在絕對(duì)密實(shí)的狀態(tài)下單位體積的固體物質(zhì)的實(shí)際質(zhì)量，即去除內(nèi)部孔隙或者顆粒間的空隙后的密度，該參數(shù)是材料堆積的一個(gè)最理想狀態(tài)，但在實(shí)際電芯中，顆粒間的堆積必然存在一定量的空隙，只有通過一定的壓力控制孔隙率，才能平衡電解液浸潤性與電子和離子傳輸性能，如圖是輥壓前后正負(fù)極顆粒受壓示意圖¹。材料壓實(shí)密度（Compaction Density）和真密度有相似的趨勢(shì)，常用來評(píng)估不同正負(fù)極材料的物理性能差異以及監(jiān)控材料批次穩(wěn)定性。

圖1 （a）（b）正負(fù)極極片輥壓示意圖¹

 

*  如何計(jì)算材料壓實(shí)密度？

 

材料壓實(shí)密度的計(jì)算公式如下：其中D指壓實(shí)密度Density，S_治具指盛裝粉末的治具的面積，L指施加壓力時(shí)粉末樣品厚度。

在測(cè)試粉末壓實(shí)密度時(shí)有兩種方式：加壓法和卸壓法。加壓法是對(duì)粉末施加一定壓力后保壓一段時(shí)間，再測(cè)試粉末厚度L_加壓，卸壓法是指對(duì)粉末施加一定壓力并保壓一段時(shí)間，再降低至較小壓強(qiáng)并保壓一段時(shí)間后，測(cè)試粉末厚度L_卸壓。由于顆粒本身的彈性形變以及顆粒之間的滑移，L_卸壓通常大于L_加壓，由二者可計(jì)算粉末壓實(shí)密度反彈量。使用卸壓法測(cè)試，粉末顆粒的受力狀態(tài)更加接近其在真實(shí)極片中的受力狀態(tài)，因此有更好的參考意義，如國標(biāo)GB/T 24533-2019《鋰離子電池石墨類負(fù)極材料》中便是采用類似卸壓法測(cè)試粉末壓實(shí)密度²。

 

* 如何提高壓實(shí)密度測(cè)試準(zhǔn)確性？

 

1. 粉末質(zhì)量稱取準(zhǔn)確：采用萬分之一及以上天平稱取粉末，即分度值（d） 為0.0001g;

2. 樣品厚度測(cè)試準(zhǔn)確：測(cè)厚精度±5um;

3. 粉末裝入治具和測(cè)試過程中要盡量不漏粉，保證m和L的準(zhǔn)確性；

4. 測(cè)試前粉末在治具中的堆積狀態(tài)要盡量一致：采用粉末預(yù)振實(shí)；

 

* 不同體系材料壓實(shí)密度測(cè)試

1. 測(cè)試設(shè)備：

采用PRCD1100（IEST-元能科技）對(duì)5種正負(fù)極材料進(jìn)行壓實(shí)密度測(cè)試，設(shè)備如圖2；

      圖2. (a）PRCD1100外觀圖；（b）PRCD1100結(jié)構(gòu)圖

2. 測(cè)試參數(shù)：

施加壓強(qiáng)范圍10-200MPa，加壓間隔10MPa，保壓10s，卸壓至3MPa，保壓10s；

3. 取樣質(zhì)量：

鈷酸鋰/三元粉料2.0000g，LFP/石墨粉料1.0000g，活性炭粉料0.5000g；

4. 測(cè)試結(jié)果：

 

對(duì)比5種材料壓實(shí)密度：LCO>NCM>LFP>Graphite>ActivatedCarbon，卸壓后粉末壓實(shí)密度存在反彈，反彈量比較：Graphite> ActivatedCarbon>NCM> LCO >LFP。反彈量通常與材料結(jié)構(gòu)有較大關(guān)聯(lián)，石墨材料屬于多層碳結(jié)構(gòu)，層與層之間容易滑移，導(dǎo)致卸壓后的厚度出現(xiàn)較大反彈；活性炭由于存在多孔結(jié)構(gòu)，卸壓后彈性形變也較大；NCM材料是在LCO的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上替換一定比例的鈷，Ni含量越高，三元材料的結(jié)構(gòu)與LCO結(jié)構(gòu)的差異越大，這會(huì)影響材料本身的力學(xué)性能，正如本文中使用的NCM材料比LCO材料有更大的彈性形變；LFP材料是橄欖石結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e和PO4組成的八面體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，材料的彈性形變較小。

加壓法和卸壓法得到的壓實(shí)密度及壓密反彈量不僅與材料體系有關(guān)，還與顆粒的粒徑大小和粒徑分布有關(guān)，后續(xù)可對(duì)該方面的影響做進(jìn)一步探究。

 

參考文獻(xiàn)

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1．Sang Gun Lee, Dong Hyup Jeon. Effect of electrode compression on thewettability of lithium-ion batteries.Journal of Power Sources 265(2014) 363-369.

2.《鋰離子電池石墨類負(fù)極材料》GB/T 24533-2019