通过上游工艺中的阻抗评估优化电池电极设计
通过浆料及极片的阻抗测量把握导电网络的形成情况
随着高性能锂离子电池需求增加，优化极片设计已成为研发中的重要课题。电池性能很大程度上取决于极片制造过程中所建构的内部导电网络。该导电网络在浆料阶段便开始形成，并延续直至极片制造各工序完成。 传统上优化浆料配方中的导电剂，是通过反复的电池试制和性能评估实现的。但这种方法耗时且成本高，难以称之为高效。若能在更早阶段直接评估电气特性，就能减少对试错的依赖，大幅提升开发效率。 HIOKI日置提议将浆料分析系统SA2634与电极电阻测试系统RM2610组合使用作为解决方案。 |  |
背景 ：电极浆料中的导电网络形成
电极浆料是将活性物质、导电剂、粘结剂分散于溶剂中制备而成的。其中，导电剂形成电子的通路 ( 导电路径 )，决定最终极片的导电性能。这里有一个关键概念：逾渗 (Percolation)。当导电剂浓度超过一定阈值时，会形成连续的导电网络，阻抗急剧降低。反之，若导电剂浓度在该阈值以下，则无法获得足够的导电性，而如果添加量过多则会降低活性物质的比例，导致电池容量下降。
传统开发手段存在的问题
传统的电极开发存在以下问题。
• 无法测量浆料的导电性
• 难以针对极片的复合材料涂层电阻进行评估
• 无法评估集流体与复合材料涂层间的界面电阻
• 性能验证需要试制电芯
• 由于反复试错导致开发时间和成本增加
正因为在浆料阶段和极片阶段无法定量把握导电性，严重阻碍了开发效率。
HIOKI 日置提供的综合测量解决方案
将浆料分析系统与电极电阻测试系统相结合，能够综合评估从浆料到极片的电气特性。 浆料分析系统可直接测量浆料的阻抗，掌握导电网络的形成状况。另一方面，电极电阻测试系统能定量分析复合材料涂层电阻率及集流体与复合材料涂层间的界面电阻。
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图 1. HIOKI 日置的电极电阻测试系统 RM2610 与浆料分析系统 SA2634 |
通过这种综合方法，可以分析材料组成对中间工序及最终电气特性的影响。
测量结果与考察
在改变导电剂比例条件下 (NCM:AB:PVDF = 100:x:3，AB 比例为 0.5 ～ 4.0) 实施测量。
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图 2. 固体含量中导电剂比例 [w/w%] 与浆料的 DCR 和 Rratio 的关系 | 图 3. 固体含量中导电剂比例 [w/w%] 与极片复合材料涂层层电阻率・ 界面电阻的关系 |
测量结果
• 浆料的直流电阻 (DCR) 随着导电剂的增加逐渐降低，在约 2% 左右急剧下降
• 同时 Rratio* 明显上升，导电网络的贡献增大
• 在相同组成区域的极片中，复合材料涂层层电阻率和界面电阻也随之降低
*:Rratio( 电阻比 ) 是一个无量纲指标，表示浆料整体电阻中导电剂网络所占的比例，取值范围为 0 ～ 1。数值越高，表明导电网络的贡献越大。
观察到的趋势
• DCR 和 Rratio 的急剧变化表明导电网络发生转变
• 电极电阻在相同区域达到最小，表明浆料结构特征可在极片中得到体现
考察
导电剂的逾渗阈值估计约为 2%。在此条件下会形成连续的导电网络，并且在极片中也得以维持。也就是说，可以认为该配比是实现导电性与活性物质量平衡的最小有效添加量。由上述结果可知，浆料分析系统能够在浆料阶段把握导电剂量与导电网络形成的关系，电极电阻测试系统则能够定量确认导电网络在极片内的维持情况 , 及其最终如何反映在电阻特性上。通过两种系统的组合使用，可以实现从浆料配方到极片特性的整体评估，从而显著提高电极设计上游工艺的优化效率。
总结
要制备高性能的电池电极离不开导电剂用量的优化。然而，以传统下游工序评估为主的方法效率低且成本高。通过组合使用浆料分析系统 SA2634 和电极电阻测试系统 RM2610，能够直接且定量地评估浆料到极片的电气特性。该上游工艺的评价方法同时提升了开发效率与优化精度。对于致力于加速电池开发和降低成本的研究开发团队，本解决方案具有重要价值。
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