电极材料对电池性能影响

1.1活性物质形貌的影响

在锂离子电极材料中，一般而言，活性物质的粒径减小，就会提高电极材料的离子电导率，进而提升电极整体的导电能力，改善电池倍率性能。当活性物质粒径减小，电极材料中Li+的扩散路径缩短，有利于Li+进行传输。

大量的研究工作都表明使用小颗粒的活性物质会对电极电化学性能产生有利影响，但在减小活性物质粒径的过程中也会出现一些问题和挑战。

第一，小颗粒(特别是纳米颗粒)的活性物质和导电剂的表面积比较大，有利于电解液催化分解，在其表面形成一层凝胶膜，消耗了电解液。第二，在电极工作过程中会在其表面形成SEI膜，该过程同样消耗电解液和Li+。第三，活性物质颗粒尺寸过小，导致电极材料压实密度过低，降低能量密度。当颗粒直径小于某一细小尺寸时，颗粒的布朗运动效应就不能忽略，所以由于细小颗粒的布朗运动，而使得颗粒之间产生激烈碰撞，使浆料产生絮凝，更易导致出现分离现象。

因此在选择活性物质粒径大小的时候，不能单纯靠减小颗粒尺寸来提高电极性能，还要综合考虑其带来的不利影响。

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1.2导电剂性质的影响

要使导电剂能够完美地发挥作用，必须保证其在浆料中均匀分布，不仅是整体体积的宏观分布，还包括颗粒层面上的微观分布。但是导电剂的分布情况并不是仅仅依靠浆料的搅拌效率，还受到导电剂本身性质的影响。

现在电极材料中常用的导电剂有颗粒状的SuperP、科琴黑，纤维状的气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNTS)，片状的KS-6、SFG-6、石墨烯等。在富锂锰基材料中，对比SuperP、KS-6、VGCF和石墨烯四种导电剂的导电效率，SuperP能够均匀分散形成完整的导电通路，电极电阻最小，表现出优异的倍率和循环性能。KS-6没能形成良好的导电通路，表现出的电化学性能最差。

有一些炭黑导电剂不仅可以起到增大电极材料电导率的作用，还能使浆料稳定，防止浆料出现分离、凝聚的作用。在浆料制备初期损耗模量大于储存模量，使浆料呈流体状，有非常小的屈服强度。再添加一定量的炭黑之后，浆料的存储模量逐渐大于损耗模量，浆料呈凝胶状，具有较大屈服强度来有效地防止浆料出现聚沉、分离。

导电剂的存在还可以影响电解液在电池体系内的分布。由于受锂离子电池的空间限制，注入的电解液量是有限的，一般处于贫液状态，而电解液作为电池体系内部连接正负极的离子体，其分布对锂离子在液相中的迁移扩散有着至关重要的影响。当一端电极中导电剂含量过高时，电解液富集在这一极而使另一极的锂离子传输过程缓慢，极化度较高，在反复循环后容易失效，从而影响电池的整体性能。

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导电剂的含量只需达到一个最佳值，而不是越大越好，太多就会使电极密度减小，电池容量下降，如果太少则会导致电极中活性材料利用率不高，且在较高倍率下的放电性能会有所降低。由此可以看出，不同种类的活性物质在粒径、形貌及其自身的化学性质方面差别较大，不同的导电剂对其导电能力也产生很大不同，不可能存在一种导电剂对任何的电极材料都能起到优异的导电能力。因此在实际生产应用中，要根据所选用的活性物质来选择出最适用的导电剂以及添加量。

1.3粘结剂性质的影响

粘结剂是锂离子电池电极中的非活性成分，主要在活性物质、导电剂和集流体之间起到连接作用，使它们之间具有整体性，减少电极阻抗。同时使极片具有良好的机械性能和加工性能，可以满足实际生产的需要。

不同活性物质和导电剂使用的粘结剂种类也不同。目前，聚偏二氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯酸(PAA)和海藻酸钠主要用于负极粘结剂，聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)主要用于正极粘结剂。因此需要根据实际活性物质的种类来合理选择最佳的粘结剂。

粘结剂不仅可以起到连接的作用，还能在一定程度上防止浆料凝聚。由于锂离子电池浆料属于非牛顿流体，分散好的浆料其许多内部结构参数会随着时间逐渐衰减，活性物质和导电剂容易恢复到聚集的状态，因此，需要通过提高浆料粘度使颗粒的动能减小，防止颗粒由于较大动能而克服颗粒间排斥力聚集在一起。而实际涂布过程又要求浆料粘度不能太大，这在一定程度上限制了粘结剂的这个作用。

在活性物质颗粒尺寸一定的情况下，粘结剂的分子量越大，浆料表现出的各方面力学性能越好。粘结剂分子量越大其分子链越长，在吸附到活性物质和导电剂表面时，其较长的分子链可能连接多个颗粒，众多的分子链交错在一起使颗粒之间的连接更加紧密，不仅可以使浆料呈现凝胶状，起到防止浆料聚集的作用，还能使极片在干燥后具有更好的力学性能。

但分子量过大则会造成PVDF在NMP中的溶解性和在电极中的分散性下降。不仅如此，高分子量的PVDF结晶度高，对电极中电子和质子的迁移阻力大，由此也会造成极片的阻抗高，充放电过电位大。因此，粘结剂的选择并不是分子量越大越好。