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【洞見】技術(shù) | 四探針?lè)y(cè)試極片電阻

來(lái)源：時(shí)間：2022-10-31 17:14:47 瀏覽：5273次

近年來(lái)對(duì)電池的能量密度、功率性能的需求越來(lái)越高，更高能量密度電池與更大功率的鋰離子電池技術(shù)亟待開發(fā)。

鋰離子電池電阻是衡量電池性能的重要的指標(biāo)之一。鋰離子電池電阻的大小直接影響鋰離子電池的容量、功率大小、循環(huán)壽命及安全性能。影響鋰離子電池電阻的因素有電極材料、配方、電解液、涂布勻漿工藝、極片電阻等，其中極片電阻反映了電極材料性能及配方的優(yōu)劣。

因此通過(guò)極片電阻的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)極片電阻與鋰離子電池電阻之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池電阻進(jìn)行預(yù)評(píng)估。不僅如此，通過(guò)極片電阻測(cè)試結(jié)果，除了可用于勻漿涂布工藝及配方的改進(jìn)，還能夠及時(shí)篩選分類并剔除電阻值較大的極片，不使之流入單體制造的工序，提升終端產(chǎn)品品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料體系的快速評(píng)價(jià)。

本文通過(guò)四探針?lè)ㄔ韺?duì)電極極片電阻進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)，并通過(guò)測(cè)試組裝電池的交流阻抗，建立起極片電阻與電池電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電阻的預(yù)評(píng)估。

一、實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)儀器：根據(jù)四探針測(cè)試原理，自組裝兩探頭(直徑1mm)測(cè)試裝置，壓力計(jì)一臺(tái)HIOKI電阻計(jì)3560，IM6電化學(xué)工作站，氬氣手套箱。

實(shí)驗(yàn)方法：將極片剪切成4cm×8cm的方形尺寸，然后把極片放在兩探頭下面，兩探頭通過(guò)兩極柱與電阻計(jì)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試裝置手柄，探頭受到穩(wěn)定壓力擠壓極片，壓力大小通過(guò)壓力計(jì)控制，到達(dá)某一壓力后，讀取電阻計(jì)電阻數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)即為極片電阻相對(duì)值。

電池制備：將極片在充滿氬氣的手套箱內(nèi)組裝成扣式電池，在車間生產(chǎn)線組裝20Ah電池，分別測(cè)試EIS，測(cè)試頻率為100mHz~100kHz，電池均為放電狀態(tài)。

二、結(jié)果與討論部分

1、極片電阻測(cè)試方法建立

圖1為應(yīng)用四探針測(cè)試原理自組裝的兩探頭片狀物電阻測(cè)試儀及測(cè)試原理示意圖。動(dòng)力電池的直流電阻對(duì)實(shí)際應(yīng)用更有現(xiàn)實(shí)意義，但由于是動(dòng)態(tài)的，其測(cè)試需要標(biāo)準(zhǔn)、詳細(xì)的流程。同時(shí)，交流電阻與直流電阻也有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 極片電阻測(cè)試示意圖

進(jìn)行如圖1測(cè)試時(shí)，極片在固定壓力下加電壓，遵循歐姆定律，電流從極片中流過(guò)(過(guò)流面積為集流體和集流體兩側(cè)電極材料橫截面)。在電極材料中導(dǎo)電劑導(dǎo)電性好，正極材料導(dǎo)電性較差，所以電子是沿著電極材料中的導(dǎo)電劑傳導(dǎo)。由于這種電子傳導(dǎo)方式與極片在電池中的電子傳導(dǎo)方式十分接近，因此，該方法能很好地模擬評(píng)價(jià)材料的電子導(dǎo)電性。

表1為不同導(dǎo)電劑比例的同材料體系正極極片電阻測(cè)試結(jié)果。導(dǎo)電劑可改善電極材料的導(dǎo)電性，但作為非活性物質(zhì)，其添加量影響電池能量密度。通過(guò)此種方法可以快速判斷出電極配方中導(dǎo)電劑的最佳添加量。

表1 不同導(dǎo)電劑對(duì)極片電阻的影響

從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)導(dǎo)電劑的比例為1.5%時(shí)，極片電阻有較大降低，從10.6Ω降低，再添加更多的導(dǎo)電劑，極片電阻沒(méi)有明顯的降低，當(dāng)導(dǎo)電劑增加到3.0%時(shí)，極片電阻反而有所增大。所以此種正極材料最佳導(dǎo)電劑比例范圍為1.5%~2.0%。

圖2為四種導(dǎo)電劑配方的極片組裝成扣式電池的交流阻抗譜圖。從圖中可以看出，交流阻抗譜圖分別由一個(gè)半圓和一條斜線組成。高頻區(qū)的半圓反映的是與電荷轉(zhuǎn)移相關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)阻抗，半圓直徑越大說(shuō)明電荷轉(zhuǎn)移阻抗就越大。

圖2 不同配方極片交流阻抗譜圖

低頻區(qū)的斜線反應(yīng)的是鋰離子在固相電極材料中擴(kuò)散引起的阻抗。圖2中配方1的半圓直徑最大，說(shuō)明配方1的電荷轉(zhuǎn)移阻抗較大，導(dǎo)電性最差；配方2及3的半圓半徑相差不大，說(shuō)明在相同體系中，電荷轉(zhuǎn)移阻抗相差不大。交流阻抗測(cè)試結(jié)果與極片電阻測(cè)試結(jié)果一致。由此看出本測(cè)試方法的可靠性。

2、不同材料體系正極極片電阻與電池電阻關(guān)系建立

表2為不同體系正極材料(相同配比)的正極極片電阻值和用這些極片組裝成20Ah動(dòng)力電池的電阻值。

表2 不同正極材料極片與電池的阻值

在相同壓力下，極片1通過(guò)類四探針?lè)y(cè)試出的電阻最小，為4.5Ω，相應(yīng)地組裝成20Ah動(dòng)力電池后通過(guò)交流電阻歐姆表測(cè)試的電池電阻也最小，為3.78mΩ。極片3碾壓前后極片電阻最大，分別為23.0和20.5Ω，相應(yīng)的極片組裝成同種體系的20Ah動(dòng)力電池，電阻值最大，為5.50mΩ。

圖3為四種極片碾壓后電阻與電池電阻曲線。從圖3可以看出，電池電阻隨極片電阻的增大而增大，并不呈線性增大，主要是因?yàn)樵诮M裝電池過(guò)程中，極組是由極片通過(guò)卷繞的方式，卷繞13~14折，相當(dāng)于電阻并聯(lián)，電阻值大大減少，還有電解液、極耳等的影響，導(dǎo)致極片電阻與電池電阻不呈線性關(guān)系。

圖3 極片電阻與電池電阻的關(guān)系

圖4為20Ah動(dòng)力電池的交流阻抗譜圖。從圖中可以看出，交流阻抗譜圖分別由一個(gè)半圓和一條斜線組成。半圓在高頻區(qū)與實(shí)軸的截距代表溶質(zhì)阻抗Rs，半圓直徑代表電荷傳遞過(guò)程的電化學(xué)阻抗Rct，即正負(fù)電極反應(yīng)的阻抗。

圖4 不同極片組裝動(dòng)力電池交流阻抗譜圖

從圖中可以看出四種極片的Rs阻抗相差不大，說(shuō)明四種極片在同一體系下，極片電阻對(duì)溶質(zhì)阻抗影響較小。電荷傳遞電阻Rct相差較大，且與極片電阻測(cè)試結(jié)果有較好的吻合，所以在相同體系下，極片電阻能夠準(zhǔn)確反映電池電化學(xué)反應(yīng)阻抗的情況。因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，電池的電阻與該方法的測(cè)試值有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用測(cè)試極片電阻的可以對(duì)電池電阻進(jìn)行預(yù)評(píng)估。

三、結(jié) 論

使用電池極片電阻測(cè)試方法，可以在大批量生產(chǎn)前對(duì)鋰離子電池原材料及材料配方進(jìn)行評(píng)估和快速篩選，節(jié)約了電池實(shí)效驗(yàn)證時(shí)間，避免了原材料浪費(fèi)，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，所以鋰離子電池極片電阻測(cè)試是較為新穎且有應(yīng)用前景的測(cè)試評(píng)估方法，值得進(jìn)一步研究和完善。

參考：聶磊等《鋰離子電池電阻預(yù)評(píng)估方法研究》

來(lái)源：電池中國(guó)

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