浅谈压实特性

为了提高电池性能，企业和研究者对影响电池电极压实特性的因素做出了大量研究。压实密度指的是电极在一定压力下压实后的体积密度，压实密度=面密度/(极片辊压后的厚度-集流体厚度)，单位：g/cm3，这是基本定义。

一般来说，在材料允许的压实范围内，高的压实密度可以增加单位体积内的活性物质含量，从而提高电池的能量密度。同时，合适的压实密度可以优化电极的孔隙结构，有助于减小电极材料在循环过程中的体积变化，提高离子和电子的传输效率，增强电池的循环倍率性能。压实密度直接影响电极材料的孔隙结构和离子传输路径，从而影响电化学反应的动力学性能。

具体如以下：

1.离子传输: 适中的压实密度可以提供良好的孔隙结构，确保电解液的充分浸润和离子的快速传输，优化电化学反应的动力学性能。

2.电子传输: 高压实密度可以提高电极的导电性，增强电子传输效率，有利于电化学反应的进行。

3.浓差极化: 适中的压实密度可以优化电极的孔隙结构，减少浓差极化现象，提升电池的电化学性能。

经学者研究发现，电极压实密度一般和材料颗粒大小、真密度有关，同时还和粒子的级配有关系，压实特性较好的极片一般都有很好的粒子正态分布。颗粒大小、真密度有关，同时还和粒子的级配有关系，压实特性较好的极片一般都有很好的粒子正态分布。

1.颗粒形状对压实特性的影响

有研究者对比不同形状的石墨颗粒对压实密度的影响，发现多面体状和类球状石墨颗粒在被压实后呈现较为规律的排布，颗粒间隙较小，排布较为紧密；而片层状颗粒则呈现为不规则排布，颗粒间孔隙较大，这将导致极片压实密度降低。多面体状石墨颗粒内应力分布最不均匀，局部区域会出现较大应力，导致应力集中，从而增大极片产生翻边、褶皱、拱起等缺陷产生的几率；类球状石墨颗粒应力分布最均匀，只有较少区域出现应力增大的趋势；片层状石墨颗粒的应力大小分布较均匀，但是也有少部分区域出现应力集中，这将会导致极片在压实后密度一致性低。结果表明，类球状、多面体状以及片层状三种颗粒，在相同的压力下，类球状颗粒的压实密度最高，多面体状次之，片层状颗粒的压实密度最低，且数值相差较大。说明颗粒形状对极片压实特性影响较大，在实际工业生产中，要提高石墨负极极片压实特性应对石墨粉末进行加工使石墨颗粒趋于球状。 

2.颗粒粒径对压实特性的影响

在极片辊压过程中，一般来说，极片材料颗粒粒径越小，颗粒挤压后孔隙就会越小，从而获得更高的压实密度，最终提高锂离子电池的体积能量密度；并且，负极材料颗粒粒径越小，在电池充放电过程中，锂离子在嵌入电极极片时需要克服的范德华力会更小，从而更容易嵌入；锂离子嵌入和脱出的轨道越短，越有利于快速达到全嵌锂状态，从而具有更好的充放电性能。实验表明，颗粒较小的石墨负极也具有较大的初始容量。但是，材料颗粒过小对电池的其他性能也会带来一些不利影响。一些学者通过实验发现颗粒较小的石墨负极具有较大的不可逆容量，石墨颗粒越小，与电解液接触的比表面积就越大，首次充放电过程中会形成SEI 膜，使更多电荷被消耗，不可逆容量损失更大。因此，合理的粒径选取对提升锂离子电池的各项性能有着至关重要的意义。

3.粒度分布对压实特性的影响

实际生产过程中，几乎不可能保证材料的每一颗颗粒粒径都保持在同一大小，也就是说不存在单一粒径。粒度分布是决定产品规格的关键因素。它是一种用于将不同尺寸范围的颗粒范围表示为总样本百分比的方法。材料的粒度分布直接影响制浆过程和电池的体积能量密度。当体积相同时，较大的颗粒和较宽的粒度分布会降低浆料的粘度。这有利于提高固含量，降低涂布难度。更宽的粒径分布允许较小的颗粒填充较大颗粒之间的孔隙，提高电极的压实密度，从而提高电池的体积能量密度。粒度分布越广，粒度分布的D10和D90值相差越大，越有利于颗粒的互相镶嵌，从而减小极片材料颗粒间的孔隙，达到提高压实密度的目的，用多级粒径分布，即在电极材料中混合不同粒径的颗粒，可以提高材料的填充密度。小颗粒可以填充大颗粒之间的空隙，提高整体的压实密度和导电性。 

4.比表面积

控制电极材料的比表面积，可以提高材料的压实密度和电化学性能。高比表面积材料可以增加电极与电解液的接触面积，提高电池的功率性能。然而，高比表面积材料通常具有较低的压实密度，因此需要在比表面积和压实密度之间找到平衡点。

5.粘结剂选择对压实特性影响分析

粘结剂作为锂离子电池极片的组成部分，同样对极片压实特性有着重要影响。添加粘接剂后，极片宏观厚度进一步减小，极片致密度增加在相同压力下，加入粘结剂后极片压实密度有所提高。粘结剂有利于提高极片的压实特性。

压实工艺的优化

通过优化压实压力、压实温度和压实时间，可以提高电极的压实密度和电化学性能。

1.压实压力: 控制压实压力，可以提高电极的压实密度和电化学性能。适当增加压实压力，可以提高材料的堆积密度和导电性，但过高的压实压力可能导致材料的机械应力增大，增加材料的裂解和失效风险。而多级压实工艺可以逐步增加压力，减少材料的应力集中现象，提高电极的机械强度和稳定性。

2.压实温度: 控制压实温度，可以提高电极的压实密度和电化学性能。适当增加压实温度，可以提高材料的塑性和导电性，但过高的压实温度可能导致材料的热分解和性能下降。而采用热压实工艺可以在适当的温度和压力下，显著提高电极的压实密度和机械强度。

3.压实时间: 控制压实时间，可以提高电极的压实密度和电化学性能。适当延长压实时间，可以提高材料的堆积密度和导电性，但过长的压实时间可能导致材料的疲劳和性能下降。