前 言
在新能源政策推廣的背景以及極致成本的追求下，電池單體大容量和高能量密度設(shè)計的趨勢愈加明顯。通常情況下，適當增加電芯內(nèi)部活性物質(zhì)的填充，提高電芯的群裕度設(shè)計能夠提升電芯整體的空間利用率和能量密度。然而過高的群裕度容易導致電池使用過程中內(nèi)部壓力過大，影響電池的安全性和穩(wěn)定性。電芯生產(chǎn)過程中，極片的反彈容易導致電芯實際的群裕度相對于設(shè)計值偏大，使得電芯使用過程中出現(xiàn)膨脹力偏大、電芯機械結(jié)構(gòu)件耐受力不足的風險。如何快速且有效的評估極片設(shè)計因子當中主材、粘接劑種類和配比、厚度以及壓實密度對極片反彈的影響至關(guān)重要。
本文以石墨材料在顆粒、粉料以及極片狀態(tài)下的反彈特性分析為例，通過評估石墨顆粒的抗壓特征、粉體壓實以及極片厚度反彈性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，以更好的輔助產(chǎn)品工程師在設(shè)計過程中通過對材料的彈塑性評估來提前考慮極片反彈對實際電芯群裕度的影響，縮減材料篩選周期、產(chǎn)品設(shè)計到實際生產(chǎn)之間的差距。
石墨材料在顆粒、粉體以及極片在受較大壓力狀態(tài)下一般表現(xiàn)為彈塑性，即顆粒在受力產(chǎn)生形變后，自然狀態(tài)下延遲恢復形變且恢復不完全，可恢復部分為可逆形變即彈性或剛性，不可恢復部分為物質(zhì)的不可逆形變即塑性。
圖1. (a) 顆粒的壓縮性實驗示意圖； (b）顆粒壓縮試驗過程中的力-位移曲線
顆粒的力-位移曲線的斜率是彈塑性剛度的衡量指標。通過對顆粒進行壓縮，測試顆粒的受力和形變量之間的關(guān)系(圖1 a), 能夠得到顆粒壓縮試驗過程中的力-位移曲線(圖1 b)。顆粒首次出現(xiàn)破裂前的曲線斜率較小則表明材料塑性更強，形變恢復力較弱；而斜率較大則表示材料的剛性或彈性越大，形變恢復能力較強。
測試設(shè)備與參數(shù)
1. 石墨顆粒的壓潰曲線測試
1) 粉末分散到酒精中，滴加至載玻片，自然干燥；
2) 基于單顆粒力學性能測試系統(tǒng)SPFT1000 (圖2)設(shè)備，用光學顯微鏡下定位載玻片上的單顆粒，控制壓頭以勻速下壓，在顆粒壓縮過程中采集力-位移曲線；
3) 測試設(shè)置：放大倍數(shù)最高1200倍；壓力測試范圍：0-500 mN，壓力測試精度：±0.5 mN；位移最小單位：10 nm，數(shù)據(jù)采集頻率100 Hz；
4) 數(shù)據(jù)分析。
圖2. 單顆粒力學性能測試系統(tǒng)SPFT1000
2. 石墨粉末壓實厚度反彈測試
1) 測試設(shè)備：采用粉末壓實密度儀PCD1100 (圖3)對1.00g石墨進行梯度加壓，采集測試每個壓力再次泄壓后厚度反彈量；
2) 測試參數(shù)：施加壓強范圍30-260 MPa，加壓間隔10 MPa，保壓10s，卸壓至3 MPa，保壓10s；
3) 測試結(jié)果分析。
圖3. 粉末壓實密度儀PCD1100 (a) 外觀圖；(b) 結(jié)構(gòu)圖
3. 極片厚度反彈測試
1) 測試設(shè)備：采用極片自動測厚/反彈測試儀BT100 (圖4) 設(shè)備對極片關(guān)輥壓后的3.5h內(nèi)的厚度變化進行測量；
2) 每30 min 進行厚度測試, 測試單點壓力為0.005 Mpa；
3) 測試結(jié)果分析。
圖4. 極片反彈測試儀BT100
數(shù)據(jù)與結(jié)論分析
本文選取人造石墨和天然石墨進行顆粒的強度(抗壓力)曲線測試，每個樣品選取粒徑較為一致的5個顆粒進行測試?；诓牧系念w粒壓潰曲線特征進行分析，人造石墨 (圖5a )相對天然石墨 (圖5b) 在相同的位移下，整體受到的力較小，說明人造石墨整體的塑性較強，彈性系數(shù)較小。圖5c表明顆粒初始壓縮過程中，由于受到的是二者間的彈性接觸變形，力整體較小，隨著壓縮位移的持續(xù)增加，顆粒表現(xiàn)出彈塑特性。天然石墨在相同的形變下受到的力比較大，說明天然石墨的彈性較大，在撤去壓力的條件下，形變恢復能力較強；反之，人造石墨的塑性較強，形變恢復能力較弱。
進一步將兩款石墨樣品放到粉末壓實密度儀PCD1100設(shè)備中，測試石墨粉料經(jīng)過不同壓實后，撤去壓力的厚度反彈曲線(圖6)。同樣在較大壓強下，人造石墨整體表現(xiàn)為反彈厚度較小，整體的彈性形變較小，結(jié)論與單顆粒層級測試的相對應(yīng)。
圖5.人造石墨 (a) 和天然石墨 (b) 顆粒的壓潰位移-壓力曲線以及二者彈性和；(c) 彈塑性曲線對比，以各自其中一個顆粒曲線展開標注：紅色為人造石墨，黑色為天然石墨。
圖6. 石墨粉末的壓實厚度反彈
為進一步反應(yīng)材料到極片層級的反彈特性，兩款石墨以SBR:CMC:SP:石墨= 2.5：1.5：1.5：94.5的比例制成極片，輥壓后測試極片在3.5h內(nèi)的厚度變化。圖 7結(jié)果同樣表明人造石墨在輥壓后整體的極片反彈量較小,說明該款人造石墨材料在極片的制造過程中，整體的可逆形變較小，輥壓極片在自然狀態(tài)下的反彈對電芯群裕度的設(shè)計偏差影響較小。
圖7. 天然石墨與人造極片的厚度反彈曲線
總 結(jié)
本文基于兩款石墨材料的顆粒彈塑性、粉末以及極片厚度反彈特征進行測試分析。通過對比得到極片的反彈特性與顆粒以及粉末壓實的反彈特性結(jié)果相一致，說明在極片設(shè)計過程中能夠直接通過顆粒的彈性特質(zhì)、粉末的壓力反彈特征評估極片輥壓后的反彈影響，進行材料導入的篩選，為電芯的設(shè)計與驗證，提供了一種材料研發(fā)與電芯驗證的驗證維度，極大的縮短研發(fā)的時間和成本。
參考文獻
1.Chemical Engineering Science 60 (2005) 4031--4044.Breakage behaviour of spherical granulates by compression.
2.Chinese Journal of Geotechnical Engineering.基于納米壓痕測試的顆粒材料彈性模量標定及應(yīng)用.
京公網(wǎng)安備11010802046783號
