鋰離子電池作為目前應(yīng)用較廣的新能源體系，它在手機(jī)、電腦、汽車、儲(chǔ)能等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，由于各領(lǐng)域?qū)斐湫阅艿囊笤絹?lái)越高，提升電池的倍率性能成為鋰電研究人員不斷探索的方向。鋰離子電池是由正負(fù)極、隔膜、電解液等組成，當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)從正極脫出，在電解液的支持環(huán)境中，穿過(guò)隔膜嵌入負(fù)極，而電池倍率性能是與鋰離子整個(gè)遷移過(guò)程的阻力有關(guān)，尋找合適的方法降低各個(gè)環(huán)節(jié)的阻力需要研發(fā)人員孜孜不倦的探索。導(dǎo)電劑對(duì)鋰離子電池倍率性能的提升起到了關(guān)鍵性的作用，也有很多相關(guān)研究表明它的加入可以改善電子傳輸路徑，加快電荷傳遞的速度，提升電池性能，但導(dǎo)電劑由于顆粒尺寸和密度小于活性材料，如何保證它在漿料和極片層級(jí)分散均勻，也是提升電池倍率要關(guān)注的重點(diǎn)[1-6]。本文通過(guò)改變導(dǎo)電碳的含量，從粉末、漿料、極片和扣式電池四個(gè)層級(jí)分別表征電阻性能的變化，定性的分析導(dǎo)電碳對(duì)各層級(jí)電阻的影響，同時(shí)探索最適合的導(dǎo)電碳含量對(duì)電性能的影響，為電池工藝和配方開發(fā)人員提供有利的技術(shù)方法支撐。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

鎳鈷錳三元材料(NCM)，導(dǎo)電碳(SP)，聚偏氟乙烯(PVDF)，N-甲基毗咯烷酮(NMP)，2032型扣式電池。

1.2 分析測(cè)試儀器

四探針?lè)勰╇娮鑳x(PRCD2100-IEST)-四探針模式，漿料電阻儀(BSR2300-IEST)，極片電阻儀(BER2500-IEST)，以上三種設(shè)備均來(lái)源于元能科技(廈門)有限公司;電池測(cè)試儀(CT-4008T-Neware)，電化學(xué)工作站(DH7001)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照表1所示配方比例，制備五組正極漿料、極片和扣式電池，分別采用不同的測(cè)試設(shè)備對(duì)漿料、極片和扣式電池的電阻性能進(jìn)行測(cè)試，分析導(dǎo)電碳含量變化時(shí)對(duì)各層級(jí)電性能的影響。

表1. 五組樣品的質(zhì)量百分比

1.4 樣品制備

按照表1中各組材料的比例稱取物料，采用高速混合脫泡機(jī)混合攪拌11分鐘，對(duì)制備的漿料樣品，一部分進(jìn)行電阻率測(cè)定，一部分使用半自動(dòng)自動(dòng)涂布機(jī)進(jìn)行涂布至鋁箔上;待極片烘干后，一部分極片進(jìn)行極片電阻率測(cè)定，一部分使用輥壓機(jī)進(jìn)行極片輥壓，輥壓后的極片一半進(jìn)行極片電阻測(cè)定，一半用于扣式電池的組裝。在氬氣手套箱中組裝扣式電池，其中三元極片為正極，鋰片為負(fù)極。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉末層級(jí)電阻率性能分析

對(duì)使用的三元材料和導(dǎo)電碳分別進(jìn)行粉末電阻率測(cè)試，從圖1可看出，隨著測(cè)試壓強(qiáng)的增大，三元材料和導(dǎo)電碳的壓實(shí)密度逐漸增大，而電阻率均逐漸減小，當(dāng)三元材料壓實(shí)密度為3.5 g/cm3時(shí)，電阻率約為16.7Ω*cm，而當(dāng)導(dǎo)電碳材料的壓實(shí)密度為1.0 g/cm3時(shí)，電阻率約為0.02 Ω*cm，因此在粉末層級(jí)，三元材料電阻率是導(dǎo)電碳的835倍，導(dǎo)電碳的導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于三元材料，這會(huì)影響后續(xù)漿料和極片的導(dǎo)電性能。

圖1.(a)粉末壓實(shí)密度隨測(cè)試壓強(qiáng)變化曲線圖

圖1.(b)粉末電阻率隨壓實(shí)密度變化曲線圖

2.2 漿料和極片層級(jí)電阻率性能分析

圖2(a)為五組漿料電阻率的測(cè)試結(jié)果，從圖中可看出，漿料電阻率是隨著導(dǎo)電碳含量的增多而減小，這是因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)電碳含量增加時(shí)，在漿料中的懸浮三元顆粒之間有更多的導(dǎo)電碳顆粒連接，因此電子在顆粒之間的傳遞更快，電阻率更小。圖2(b)為五組輥壓前后的極片電阻率的測(cè)試結(jié)果，從圖中可看出，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)輥壓，極片電阻率都是隨著導(dǎo)電碳含量的增多而減小，這說(shuō)明導(dǎo)電碳含量的增大會(huì)顯著提升顆粒之間的電子導(dǎo)通性能。另外，輥壓后由于顆粒之間以及涂覆層與集流體的接觸更緊密，因此輥壓后的極片電阻率數(shù)值比輥壓前低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這也說(shuō)明輥壓會(huì)使正極極片的導(dǎo)電性明顯提高。

圖2.(a)五組漿料電阻率曲線圖

圖2.(b)五組極片電阻率曲線圖

2.3 扣式電池電阻性能分析

對(duì)五組經(jīng)過(guò)充放電一圈活化后的扣式電池進(jìn)行交流阻抗譜測(cè)試和倍率性能測(cè)試，結(jié)果如圖3(a)、3(b)和3(c)所示。在鋰離子電池體系中，阻抗譜中的中高頻率范圍，代表電子轉(zhuǎn)移和電荷傳遞，低頻范圍代表離子擴(kuò)散[7]。從圖3(b)中可以看出隨著導(dǎo)電碳含量從0%增加至3%時(shí)，電池的電子轉(zhuǎn)移Rs和電荷傳遞電阻Rct之和也逐漸減小，這說(shuō)明導(dǎo)電碳的添加量對(duì)電池電阻的改善是有顯著正向作用的。另外，若僅比較高頻處的電子電阻時(shí)，它會(huì)受扣式電池殼體與極片的接觸電阻的影響，前兩組的變化趨勢(shì)與導(dǎo)電碳含量變化不一致。從圖3(c)的不同倍率放電容量保持率來(lái)看，隨著放電倍率逐漸增加至2.5 C，當(dāng)導(dǎo)電碳含量小于1%時(shí)，電池的放電容量幾乎降到了2%，而當(dāng)導(dǎo)電碳含量大于1.5%時(shí)，電池的放電容量依舊保持在80%以上。因此，適當(dāng)含量的導(dǎo)電碳可顯著提升電池的倍率性能。

圖3.(a)五組扣式電池的EIS曲線圖

圖3.(b)五組扣式電池的電子電阻和離子電阻曲線圖

圖3.(c)五組扣式電池的不同倍率放電保持率曲線圖

3結(jié)論

本文從粉末、漿料、極片和扣式電池四個(gè)層級(jí)，分別對(duì)五組不同導(dǎo)電碳含量的樣品進(jìn)行電阻性能定量分析，發(fā)現(xiàn)加入比三元材料導(dǎo)電性好的導(dǎo)電碳后，漿料、極片、扣式電池的電導(dǎo)性能均有一定程度的提升，且適當(dāng)含量的導(dǎo)電碳可顯著提升電池的倍率性能。本文的研究，提醒電池相關(guān)研究人員在進(jìn)行電池配方改善時(shí)，既可以從不同層級(jí)評(píng)估電性能，也要注意適當(dāng)導(dǎo)電碳的含量對(duì)電池的倍率性能的影響。

原文標(biāo)題：導(dǎo)電碳含量對(duì)電池不同層級(jí)電阻的影響

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審核編輯：湯梓紅