锂电池作为当下主流储能电源之一，具有高能量密度、高额定电压、低自放电率、循环寿命长等优点。随着其制造成本的降低，已被越来越广泛地应用于消费类电子产品、电动汽车以及储能工程等领域中。

目前，业界对锂电池的稳定性及性能提出了更高的要求。要满足这些要求，必须要从锂电池的制造过程中寻找突破口，比如说极片的制备就很关键。在此工序中，正/负极极片通过卷绕或叠片等工艺，注入电解液，经封装充放电激活后就可以成为可以使用的电池，因此它们性能的优劣会直接影响整个锂电池成品的电化学性能。

锂电池正极极片

虽说产品质量靠生产，但要保障产品质量稳定性，检测工序必不可少。在锂电池极片中，涂敷层的结构和性能是极片性能关键之所在，因此对相关参数进行检测是很有必要的。

一、电池极片的制备

要了解需要被检测的参数前，先认识一下锂离子电池极片的制备过程：

锂离子电池极片制备过程

第一步：先将由活性物质、粘结剂、导电剂通过混浆均匀分散于溶剂中，制成电池浆料；

第二步：将上一步的电池浆料涂覆在集流体（负极铜箔和正极铝箔）上，然后干燥涂层；

第三步:将干燥好的极片在重压下压实、压薄，使锂离子电池体积能量密度得以提高，保证粘结剂把活性成份和导电剂紧紧的精粘附在集流体上；

第四步：裁片和分切，直接把大卷冷压好的极片在分切机上分切成指定宽度的小卷极片，等待然后把分切好的小卷保存在真空干燥箱中，待下一步使用。

锂电池极片涂布过程

混合制备电池浆料、涂布、干燥和压实工艺决定了浆料的均匀性、极片的厚度、机械性能和极片涂层的孔隙度，所以，极片制备过程直接影响了电池的使用性能——其中需要重点关注的是涂敷层上各种材料的颗粒大小和形状。

二、极片检测的重要参数

锂离子电池极片涂层可看成一种复合材料，主要由三部分组成：①活性物质颗粒；②导电剂和黏结剂相互混合的组成相（碳胶相）；③孔隙，填满电解液。电极结构主要包括组分、孔隙结构、各组分的分散状态及电极厚度及其均一度、比表面积等参数。

正极极片典型微观结构示意图

1、孔隙结构

多孔材料中的孔按其形态可分为交联孔、通孔、半通孔和闭孔（如下图所示），这几种孔在电池反应过程中作用并不相同。

孔结构示意图

交联孔和通孔是主要的锂离子参与反应和传输的主要通道；半通孔不适用于锂离子的完全传输，但在锂离子顺利进入这些孔隙的前提下，它可充当电化学反应的场所；闭孔因为锂离子无法输出，锂离子传输和反应均无法进行，属于无效孔。对于锂离子电池极片的孔隙结构，目前主要通过孔隙率、孔径、孔径分布及迂曲度等参数来描述这些复杂的孔结构的孔数目和孔形态。

①孔隙率：是指多孔材料中孔隙的体积占多孔体表观体积的比率。一般粒度分布越宽，不规则的小颗粒和大颗粒就越多，这些小颗粒会填充在其余颗粒堆积的孔隙中间（填充效应），从而减少孔径和降低孔隙率，因此较宽粒度分布的电极往往具有较低的孔隙率。

②孔径大小及分布：由于活性物质颗粒的大小及制作工艺的不同，多孔电极内孔的形态也各不相同，为了表述孔的大小，通常将孔模拟为圆柱，把圆柱形孔的底面直径作为孔径，所有圆柱形的平均孔径d表示为孔的大小。

颗粒的形貌不同，堆积的孔结构也不相同，有从业者研究了颗粒分布和形貌对于颗粒堆积孔隙率的影响，结果表明，均匀的颗粒分布和球形颗粒制备的电极可呈现最佳的孔隙率。

③迂曲度：颗粒形状的不同，导致堆积的孔大多不是直通孔，迂曲度是描述多孔介质中孔形态的重要参数，物理定义为物质在孔介质中的实际通过路径长度Lt与介质距离（厚度） L0的比值。孔隙率和迂曲度对电极中的锂离子电导率和电解液扩散有重要影响。

多孔介质流体流动示意图

2、有效电极厚度

有效电极厚度（或电解液渗透厚度）是反映多孔电极利用率的一个指标，它表示多孔电极的反应可深入电极孔内的距离。在整体设计定型的情况下，电极涂布和辊压的均匀性是影响有效厚度的重要因素。总之，电极厚度越厚，液相离子的扩散路径越长，电解液的扩散阻抗越大，电池的倍率性能越差。

3、电极组分分布

理想的电极是导电剂和粘结剂能够均匀的分布在活性颗粒的表面、活性颗粒之间、活性颗粒和集流体界面之间，使得颗粒、添加剂及集流体之间的接触足够紧密，电子能够顺利的地到达颗粒表面任意一点参加电化学反应。

理想的电极微观结构示意图

但实际上由于电极制作过程中的匀浆、涂布、烘烤及辊压都存在较大的变量，因此各组分的混合状态差异很大，这种差异性会直接影响到电极的整体性能。为了获得理想的电极微观结构，研究者们近年来也有对传统电极工艺进行创新或开发新工艺，以实现对电极微观结构的控制。

三、极片检测的手段

为了表征和描述极片的微观结构，目前常用的成像方法包括光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、聚焦离子束-扫描电子显微镜(FIB-SEM)和高空间分辨率的X射线显微成像(XCT)。 虽然OM和SEM能够获得许多详细的微观结构与形貌信息，但这只能获得二维信息，三维成像技术能够获取更加详细具体的电极信息，对研究电极微观结构与机理非常必要，因此研究锂离子电池极片微观结构细节的报道主要采用FIB-SEM和XCT技术。

FIB-SEM测试过程示意图

另外，计算机仿真也是研究电极微观结构特征的一种高效方法，常应用于电极材料设计、电池极片设计和电极反应过程分析。 锂离子电池的电化学模型描述了电池内部不同组分复杂的物理-化学过程和机理，在优化锂离子电池的性能、设计、耐久性和安全性方面发挥重要作用，而且锂离子电池模型能够从宏观到纳米多尺度研究电极反应机理过程。

总结

以上只是简单概括了极片检测时的部分参数，除此之外导电剂分布、粘结剂分布等也会对电极物理和电化学性能产生重要影响。如果想了解更多关于锂电材料检测的相关内容，可以关注即将在珠海举办的“2022全国新能源粉体材料暨增效辅材创新发展论坛（2022年12月25-27日）”，届时来自广州能源检测研究院邵丹博士，将现场分享报告“锂电池关键材料测评技术与应用”，为大家介绍锂电池关键材料体系简介、关键测评技术介绍以及实用案例。

引用资料：

巫湘坤， 詹秋设， 张兰， 张锁江. 锂电池极片微结构优化及可控制备技术进展[J]. 应用化学， 35(9): 1076-1092

粉体圈NANA整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。