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電池的倍率性能影響電池充放電的快慢及壽命，如何降低電池內(nèi)阻，提升電池的倍率性能是電池研究人員在不斷探索的方向。電池的內(nèi)阻由不同組件構(gòu)成，如圖1扣式電池的組成結(jié)構(gòu)，內(nèi)阻包含正負(fù)極殼、正負(fù)極極片、隔膜、墊片/彈片以及各部分之間的接觸電阻，若進(jìn)一步從整個(gè)扣式電池的制備流程上分析，不同層級(jí)的組件電阻會(huì)影響最終電池的內(nèi)阻，如圖2所示，利用不同的設(shè)備對(duì)不同層級(jí)的粉末、漿料、極片和扣式電池的電阻進(jìn)行測(cè)試，分析層級(jí)之間電阻的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而可以有針對(duì)性的控制電池設(shè)計(jì)和制作工藝，提升電池的倍率性能。

圖1.扣式電池的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.電池不同層級(jí)測(cè)試方式

1. 實(shí)驗(yàn)方案&測(cè)試條件

1.1實(shí)驗(yàn)方案：本文選用5個(gè)不同電阻率的三元粉末，按照質(zhì)量比例96.5：1.5：2（活性物質(zhì)：導(dǎo)電炭: PVDF）進(jìn)行漿料制作，固含量為53.3%，然后按照常規(guī)的涂布、輥壓、沖片、扣電組裝和測(cè)試的流程進(jìn)行。

1.2 測(cè)試條件：

1.2.1 粉末電阻率：5~200MPa，間隔50MPa，保壓10s；

1.2.2 漿料電阻率：連續(xù)測(cè)試5min，間隔20s采點(diǎn)；

1.2.3 極片電阻率：5MPa，，保壓15s；

1.2.4 扣電DCR：25℃，20%DOD，1.5C放電30s；

2. 電池不同層級(jí)電阻率分析

2.1 粉末電阻率

本文選取5種不同電阻率的三元材料做扣式電池的正極，對(duì)5款粉末進(jìn)行壓實(shí)密度測(cè)試，從圖3(a)可看到，隨著測(cè)試施加壓強(qiáng)的增大，5個(gè)樣品的壓實(shí)密度均在2~3g/cm3之間，同比選擇壓實(shí)密度為3g/cm3，對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)為200MPa時(shí)的電阻率，如圖3(b)所示，電阻率大小為1#<2#<3#<4#<5#。

圖3 （a）5種粉末的壓實(shí)密度曲線；（b）5種粉末的電阻率對(duì)比

2.2 漿料電阻率

5種樣品按照相同的配方攪拌后，用漿料電阻儀進(jìn)行電阻率測(cè)試，大約3min后電阻率數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，取此時(shí)的電阻率進(jìn)行同比，從圖4上可發(fā)現(xiàn)，5種漿料的電阻率大小為：1#<5#<3#<2#<4#，類似M型的變化，相比粉末狀態(tài)時(shí)的一直增大趨勢(shì)，此時(shí)3#和5#漿料反而偏低了，這很可能與漿料種增加了1.5%的導(dǎo)電炭有關(guān)，因?yàn)閷?dǎo)電炭的導(dǎo)電性要遠(yuǎn)大于三元材料，且它在漿料中的分散程度和狀態(tài)都會(huì)影響漿料電阻率的測(cè)量。

圖4. 五種漿料的電阻率對(duì)比

2.3 極片電阻率

分別對(duì)輥壓前后的極片進(jìn)行相同條件的電阻率測(cè)試，如圖5所示，經(jīng)過(guò)輥壓的極片，壓實(shí)密度提升至3g/cm3，與粉末壓實(shí)后的狀態(tài)一致，且電阻率相比輥壓前降低了很多，主要是由于活性顆粒之間、活性顆粒與導(dǎo)電炭、涂覆層與集流體之間的接觸變好有關(guān)。同比電阻率趨勢(shì)，與漿料的電阻率M型變化類似，這說(shuō)明當(dāng)配方一致時(shí)，漿料與極片的電阻率趨勢(shì)更接近，只是二者的顆粒接觸狀態(tài)不同，且漿料里包含大量的溶劑影響電子傳輸，因此漿料電阻率（kΩ*cm）絕對(duì)值要顯著大于極片電阻率（Ω*cm）。

圖5（a）五種極片的壓實(shí)密度; 圖5（b）五種極片的電阻率對(duì)比

2.4 扣電的直流內(nèi)阻（DCR）

組裝完的扣電靜置12h，進(jìn)行兩圈充放電激活后，按照如圖6（a）所示的DCR流程進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算DCR時(shí)選用放電前后的電壓差除以放電電流。從圖6（b）上看，前三個(gè)樣品的DCR顯著小于4#和5#，且與漿料和粉末電阻趨勢(shì)不同，而4#和5#的內(nèi)阻趨勢(shì)與漿料和極片電阻趨勢(shì)一致。采用放電30s的條件測(cè)出的扣電內(nèi)阻包含各組件的電子電阻，還包括電荷轉(zhuǎn)移電阻和鋰離子擴(kuò)散電阻，因此影響因素更多，與粉末、漿料、極片的電阻趨勢(shì)很可能也會(huì)不一致。

圖6（a）扣電DCR測(cè)試流程; 圖6（b）五種扣電的DCR對(duì)比

3．總結(jié)

本文對(duì)不同層級(jí)的粉末、漿料、極片和扣式電池的電阻進(jìn)行測(cè)試，分析電阻之間的關(guān)聯(lián)性，我們發(fā)現(xiàn)漿料電阻率和極片電阻率的趨勢(shì)是類似的，但因?yàn)闈{料是懸浮液狀態(tài)，其電阻率是千歐姆/厘米的數(shù)量級(jí)，而極片因?yàn)槭瞧瑺钅げ?，電阻率是歐姆/厘米，二者的電阻率絕對(duì)值相差近1000倍。從粉末層級(jí)到漿料層級(jí)，如果粉末態(tài)的電阻率相差較小的話，則會(huì)由于制備漿料時(shí)加入了其他輔料和溶劑，再加上制備工藝的波動(dòng)性，電阻率趨勢(shì)很可能會(huì)與粉末態(tài)不一致。進(jìn)一步延申到扣電的直流內(nèi)阻，因?yàn)榘骺垭娊M件的電子電阻，還包括電荷轉(zhuǎn)移電阻和鋰離子擴(kuò)散電阻等，影響因素眾多，與粉末、漿料、極片的電阻趨勢(shì)很可能也會(huì)不一致。

因此，從粉末、漿料、極片、扣電這四個(gè)不同層級(jí)分析電阻相關(guān)性，很可能會(huì)得到不一致的趨勢(shì)，但由于每個(gè)層級(jí)的電阻率參數(shù)能一定程度上代表該層級(jí)樣本的電性能穩(wěn)定性和趨勢(shì)性，所以監(jiān)控每一層級(jí)的電阻率參數(shù)有助于幫助研發(fā)和生產(chǎn)人員更好的篩選電性能優(yōu)異的材料以及監(jiān)控材料及電芯生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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