电极压实密度对锂离子电池性能的影响探究

在锂离子电池技术飞速发展的当下，无论是驱动电动汽车的动力电池，还是为各类便携设备提供能量的小型电池，其性能的提升始终是研究的重点。电极压实密度作为影响电池性能的关键因素之一，正逐渐走进大众视野。它看似只是一个简单的物理参数，却如同一条纽带，牵系着电池的多项性能指标。从电极的空隙率、电池容量，到循环性能、充放电倍率等，电极压实密度的变化都在其中扮演着重要角色。深入探究电极压实密度与电池性能之间的关系，对推动电池技术的发展意义重大。

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压实密度影响电极空隙率

通过调整电极材料的粒度、颗粒形貌和压实密度可以调整空隙率、空隙分布。活性物质的粒度及其分布、压实密度直接影响极片的空隙率和空隙直径分布，如下表所示。表1. 不同材料的粒度、压实密度和空隙参数

由表可知，活性物质的粒度越小，最频空隙直径也越小。当d50=8.22μm时，石墨B的最频空隙直径为400nm、640nm、950nm；而当d50=18.24μm时，石墨A的最频空隙直径为2200nm、3200nm和3900nm，比前者大一个数量级。压实密度越大，空率越低，最频空隙直径越小。

粒度分布会影响空隙直径分布。由Horsfield最紧密充填模型可知，选择粒度分布窄的一次颗粒充填，则空隙率大，有利于存留足够电解液和离子传递通道，但是不利于充填密度的提高。

选择二次颗粒充斥于一次颗粒之间，能够把空隙直径减小，提高充填密度。添加颗粒的次数越高，体系的空隙直径越小。当空隙直径过小时，不利于离子传递，则电池的大倍率充放电性能下降。

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压实密度影响电池容量

从材料角度讲，提高电池容量的办法有两种：一是提高单位质量活性物质的容量，二是提高单位体积材料的充填量即压实密度。前者是制备材料时衡量材料性能的重要指标，而后者通常在使用过程中体现出来，经常为制备材料者所忽视。

石墨负极材料压实密度对体积比容量的影响

上图为石墨负极材料压实密度与单位体积活性物质容量的关系。由图可知，在质量比容量不变的情况下，压实密度增加0.1g/cm3，单位体积容量增加27~35mA·h/cm3，可见压实密度对电池容量有较大的影响。尤其是随着材料制备技术的进步，目前石墨负极材料的质量比容量已经接近理论容量，因此通过提高压实密度来提高电池容量具有十分重要的现实意义。表2. 石墨负极材料的压实密度与电池性能的关系

虽然压实密度越大，活性物质充填量越多，电池的体积比容量越大，但是实际极片的压实密度并非越大越好，压实密度对电池容量的影响可参考上表。由表可知，随着压实密度的增大：材料的质量比容量先增加，后持平；内阻、循环性能、倍率放电性能逐渐减小；低温性能先不变，后减小。

不同辊压压强制造的石墨(KS-44)电极的极化曲线

天然石墨的可逆容量和不可逆容量均随电极密度增大而轻微下降。表观密度较低时，电池的3C放电容量随电极密度的增大而增大；在表观密度为0.9g/cm3时达到最大值；电极表观密度继续增大，3C放电容量逐渐降低。可以认为在表观密度较高的电极中，Li+向活性物质扩散的路径受到阻塞。另外随电极表观密度增大，嵌锂电位轻微下降，脱锂电位轻微上升，即电化学反应的可逆性下降。在电极制造过程中，随着辊压压力增大，石墨(KS-44)负极的不可过容量和可逆容量均减小，而可逆容量受压力的影响比不可逆容量更大，同时电极总体极化趋势增大，如上图所示。压实密度过高时，电解液的体积分数降低，在循环过程中会导致电解液供应不足，循环性能下降，容量下降，如下图所示。

压实密度对容量的影响

另外压实密度过高也会影响电池的制备过程，比如注液后的电解液的浸润效果差、浸润时间延长，极片合格率可能会下降。液相的传质在空隙率相近时，受到空隙分布的影响，从而造成电池性能的差异。当大空隙、中空隙和小空隙不匹配时，离子的传导速度主要受三种空隙中扩散最慢的小空隙控制。有的厂家在制备电极材料时将粒度小的部分筛分掉，目的是增大最小空隙的直径，提高扩散系数。因此，只有分布合理时才能获得最大的传导速度。

由于正极材料和负极材料种类和厂家不同，采用的压实密度也有较大的差别。正极材料钴酸锂的压实密度通常在3.3~3.6g/cm3，负极的一般为1.55~1.90g/cm3。

一般大倍率充放电性能要求空隙率在30%以上。当然正负极的压实密度也需要相互匹配，比如负极压实密度偏小时，配对正常的正极片会出现析锂现象，只有正负极的电导率一致，电解液充足，才能制备出性能优良的电池。

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结尾

综上所述，电极压实密度对电池性能的影响是多维度且复杂的。它在提高电池容量方面有着显著作用，但过高的压实密度又会带来诸如电解液供应不足、电池制备困难等一系列问题。在实际生产与应用中，需要综合考虑正极材料与负极材料的特性、电池的使用场景等多方面因素，找到一个合适的压实密度平衡点。只有这样，才能充分发挥电池的性能优势，满足不同领域对电池性能的多样化需求，为电池行业的可持续发展注入新的活力。未来，美能光子湾科技将继续致力于研发更高效的检测技术，推动电池行业的技术进步与发展。原文出处：《锂离子电池制造工艺原理与应用》

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