在鋰離子電池技術飛速發(fā)展的當下，無論是驅動電動汽車的動力電池，還是為各類便攜設備提供能量的小型電池，其性能的提升始終是研究的重點。電極壓實密度作為影響電池性能的關鍵因素之一，正逐漸走進大眾視野。它看似只是一個簡單的物理參數(shù)，卻如同一條紐帶，牽系著電池的多項性能指標。從電極的空隙率、電池容量，到循環(huán)性能、充放電倍率等，電極壓實密度的變化都在其中扮演著重要角色。深入探究電極壓實密度與電池性能之間的關系，對推動電池技術的發(fā)展意義重大。

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壓實密度影響電極空隙率

通過調整電極材料的粒度、顆粒形貌和壓實密度可以調整空隙率、空隙分布。活性物質的粒度及其分布、壓實密度直接影響極片的空隙率和空隙直徑分布，如下表所示。表1. 不同材料的粒度、壓實密度和空隙參數(shù)

由表可知，活性物質的粒度越小，最頻空隙直徑也越小。當d50=8.22μm時，石墨B的最頻空隙直徑為400nm、640nm、950nm；而當d50=18.24μm時，石墨A的最頻空隙直徑為2200nm、3200nm和3900nm，比前者大一個數(shù)量級。壓實密度越大，空率越低，最頻空隙直徑越小。

粒度分布會影響空隙直徑分布。由Horsfield最緊密充填模型可知，選擇粒度分布窄的一次顆粒充填，則空隙率大，有利于存留足夠電解液和離子傳遞通道，但是不利于充填密度的提高。

選擇二次顆粒充斥于一次顆粒之間，能夠把空隙直徑減小，提高充填密度。添加顆粒的次數(shù)越高，體系的空隙直徑越小。當空隙直徑過小時，不利于離子傳遞，則電池的大倍率充放電性能下降。

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壓實密度影響電池容量

從材料角度講，提高電池容量的辦法有兩種：一是提高單位質量活性物質的容量，二是提高單位體積材料的充填量即壓實密度。前者是制備材料時衡量材料性能的重要指標，而后者通常在使用過程中體現(xiàn)出來，經常為制備材料者所忽視。

石墨負極材料壓實密度對體積比容量的影響

上圖為石墨負極材料壓實密度與單位體積活性物質容量的關系。由圖可知，在質量比容量不變的情況下，壓實密度增加0.1g/cm3，單位體積容量增加27~35mA·h/cm3，可見壓實密度對電池容量有較大的影響。尤其是隨著材料制備技術的進步，目前石墨負極材料的質量比容量已經接近理論容量，因此通過提高壓實密度來提高電池容量具有十分重要的現(xiàn)實意義。表2. 石墨負極材料的壓實密度與電池性能的關系

雖然壓實密度越大，活性物質充填量越多，電池的體積比容量越大，但是實際極片的壓實密度并非越大越好，壓實密度對電池容量的影響可參考上表。由表可知，隨著壓實密度的增大：材料的質量比容量先增加，后持平；內阻、循環(huán)性能、倍率放電性能逐漸減小；低溫性能先不變，后減小。

不同輥壓壓強制造的石墨(KS-44)電極的極化曲線

天然石墨的可逆容量和不可逆容量均隨電極密度增大而輕微下降。表觀密度較低時，電池的3C放電容量隨電極密度的增大而增大；在表觀密度為0.9g/cm3時達到最大值；電極表觀密度繼續(xù)增大，3C放電容量逐漸降低?？梢哉J為在表觀密度較高的電極中，Li+向活性物質擴散的路徑受到阻塞。另外隨電極表觀密度增大，嵌鋰電位輕微下降，脫鋰電位輕微上升，即電化學反應的可逆性下降。在電極制造過程中，隨著輥壓壓力增大，石墨(KS-44)負極的不可過容量和可逆容量均減小，而可逆容量受壓力的影響比不可逆容量更大，同時電極總體極化趨勢增大，如上圖所示。壓實密度過高時，電解液的體積分數(shù)降低，在循環(huán)過程中會導致電解液供應不足，循環(huán)性能下降，容量下降，如下圖所示。

壓實密度對容量的影響

另外壓實密度過高也會影響電池的制備過程，比如注液后的電解液的浸潤效果差、浸潤時間延長，極片合格率可能會下降。液相的傳質在空隙率相近時，受到空隙分布的影響，從而造成電池性能的差異。當大空隙、中空隙和小空隙不匹配時，離子的傳導速度主要受三種空隙中擴散最慢的小空隙控制。有的廠家在制備電極材料時將粒度小的部分篩分掉，目的是增大最小空隙的直徑，提高擴散系數(shù)。因此，只有分布合理時才能獲得最大的傳導速度。

由于正極材料和負極材料種類和廠家不同，采用的壓實密度也有較大的差別。正極材料鈷酸鋰的壓實密度通常在3.3~3.6g/cm3，負極的一般為1.55~1.90g/cm3。

一般大倍率充放電性能要求空隙率在30%以上。當然正負極的壓實密度也需要相互匹配，比如負極壓實密度偏小時，配對正常的正極片會出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，只有正負極的電導率一致，電解液充足，才能制備出性能優(yōu)良的電池。

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結尾

綜上所述，電極壓實密度對電池性能的影響是多維度且復雜的。它在提高電池容量方面有著顯著作用，但過高的壓實密度又會帶來諸如電解液供應不足、電池制備困難等一系列問題。在實際生產與應用中，需要綜合考慮正極材料與負極材料的特性、電池的使用場景等多方面因素，找到一個合適的壓實密度平衡點。只有這樣，才能充分發(fā)揮電池的性能優(yōu)勢，滿足不同領域對電池性能的多樣化需求，為電池行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入新的活力。未來，美能光子灣科技將繼續(xù)致力于研發(fā)更高效的檢測技術，推動電池行業(yè)的技術進步與發(fā)展。原文出處：《鋰離子電池制造工藝原理與應用》

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