鋰離子電池的正、負極極片設計參數(shù)主要包括活性物質負載、孔隙率、厚度以及活性物質、粘合劑和導電添加劑之間的比例。在電極配方方面，文獻已經(jīng)報道了很多，比如石墨-LFP體系，就有40多種配方，活性材料的比例從60%到95%，粘合劑的比例從2%到25%，導電添加劑的比例從3%到30%，這些配方范圍特別大。而在企業(yè)里面，電極配方也是非常機密的，無論技術交流還是具體合作，各單位也極少涉及到具體的材料體系和配方。
那么，電極配方到底有什么理論指導嗎？各廠家又是怎么確定具體配方的？我存在困惑，一直來在學習這個問題，期望尋找答案。我所經(jīng)歷的情況，基本都是通過大量實驗，優(yōu)化總結的電極配方。今天分享一點具體內容，拋磚引玉，歡迎大家討論。
鋰離子電池極片可看成一種復合材料，主要由以下幾部分組成：(1)活性物質顆粒，嵌入或脫出鋰離子，正極顆粒提供鋰源，負極顆粒接受鋰離子；(2)導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)，粘結劑連結活物質顆粒，涂層與集流體，導電劑導通電子；(3)孔隙，填滿電解液，這是極片中鋰離子傳輸?shù)耐ǖ馈?/div>
電極中活性物質、導電劑和粘結劑之間的比例以及它們的分布狀態(tài)會影響電子、離子的傳輸，電極界面的電化學反應等，從而影響電池性能。理想的電解微觀結構如圖1所示：導電劑和粘結劑充分分散,均勻分布活性物質顆粒表面,導電劑相互連通形成電子傳輸網(wǎng)絡,粘結劑分布均勻,確保顆粒涂層的結合強度和機械穩(wěn)定性高,活性物質顆粒保持原始形貌并分散均勻,整齊排列,形成從電極表面到集流體的垂直孔道,確保電解液充分浸潤,實現(xiàn)鋰離子的快速傳導。
此理論是指只有當相鄰格子空隙被導電劑占據(jù)后，這些空隙才能形成一個導電網(wǎng)絡。假設格子空隙被導電劑占據(jù)的概率是P，占據(jù)概率P的增大可通過改變導電劑的形狀來實現(xiàn)。當P增大到某臨界值Pc時，就會發(fā)生逾滲轉變，體系電阻率會突然減小。導電劑的形態(tài)和種類眾多,顆粒狀炭黑和導電石墨是零維結構,而碳纖維和碳納米管是一維結構,石墨烯是二維片狀結構,導電劑的微觀結構特征與分布是影響導電性能的重要因素。細小顆粒狀的零維結構的導電劑是點接觸、線狀一維結構導電劑是線接觸,片狀二維結構導電劑是面接觸。顆粒狀導電劑更容易在活性物質顆粒表面均勻分散,與活性物質緊密接觸,形成良好的短程電子通路,但是在整個電極的厚度方向不利于形成長程的電子傳輸通道。而一維結構的導電劑與活性物質難形成緊密接觸,短程電子傳導差,一維長鏈結構使長程電子傳導性能好。石墨烯具有很高的電導率及二維超薄的結構特征,通過與活性物質的“面—點”接觸,使得很少含量的石墨烯就可以有效提高電極的電子電導率,但其分散困難,團聚的石墨烯會對電極內部鋰離子的傳輸產(chǎn)生阻礙,影響高倍率條件下電池性能的發(fā)揮。綜合利用各種形態(tài)導電劑的優(yōu)點,采用多種結構的混合導電劑有利于形成完整的導電網(wǎng)絡
球狀導電劑的臨界值Pc(滲流閾值)比纖維狀導電劑大很多。因此，纖維狀的CNTs和VGCF作為導電劑時，由于其粒子長徑比較大，在格子逾滲理論模型中,1 根CNIs或VGCF可同時占據(jù)多個相鄰空隙，而球狀的炭黑粒子1次只能占據(jù)1個空隙且只有相鄰空隙被占據(jù)后才能形成導電網(wǎng)絡。因此，同等條件下，纖維狀的CNTs 和GCF導電劑形成網(wǎng)絡可能性比炭黑粒子的可能性大很多，如圖2所示。
