高倍率電池性能受什么因素影響

高倍率電池工作時我們一般認為限制電池倍率性能的環(huán)節(jié)可能有兩個：1)電子導(dǎo)電;2)離子傳輸。再者高倍率電池正極材料一般導(dǎo)電性比較差，因此在使用中一般都要添加導(dǎo)電劑提高導(dǎo)電性，常見的導(dǎo)電劑包括炭黑類導(dǎo)電劑、碳納米管、碳纖維，以及目前比較火熱的石墨烯材料，倘若從結(jié)構(gòu)上分，這幾類導(dǎo)電劑可以分為三大類：1)零維導(dǎo)電劑，例如炭黑類;2)一維導(dǎo)電劑，例如碳納米管和碳纖維;3)二維導(dǎo)電劑，例如石墨烯材料，每種導(dǎo)電劑都有自己神奇的性能，例如炭黑類材料在短程導(dǎo)電方面具有優(yōu)點，而碳納米管導(dǎo)電劑在長程導(dǎo)電方面具有優(yōu)點。

很多研究都表明表面電子導(dǎo)電環(huán)節(jié)是影響高倍率電池倍率性能和容量發(fā)揮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更多的導(dǎo)電劑有利于提升鋰電池的電性能。通過不同的勻漿工藝研究了離子導(dǎo)電、長程導(dǎo)電和短程導(dǎo)電有關(guān)鋰離子電池倍率性能的影響，研究表明鋰電池的短程導(dǎo)電有關(guān)倍率性能的影響更為顯著。

試驗中選擇了NCM111材料作為研究對象，采用炭黑作為導(dǎo)電劑，pVDF作為粘結(jié)劑，漿料的配方分為兩種，一種是95%的NCM，2.5%的Cb，2.5%的pVDF，第二種是94.5%的NCM，3%的Cb，2.5%的pVDF，采用兩種工藝進行勻漿。采用了兩種方式加入炭黑導(dǎo)電劑Cb，一種是全部炭黑Cb與NCM材料一起加入到pVDF膠液之中;一種是首先利用球磨機將部分的Cb與NCM進行干混，然后與剩余的Cb一起加入到pVDF膠液之中，干混的Cb比例=1-f(f=0，0.25，0.5，0.75和1)，一般我們認為通過球磨工藝，可以讓炭黑Cb吸附在NCM顆粒的表面，形成固定碳黑，而濕混過程中加入的炭黑Cb會存在NCM顆粒之間。

圖a為NCM材料的SEM照片，從圖中可以看到NCM的粒徑在10um左右，圖b為Cb含量2.5%，f=0(也就是全部的Cb與NCM一起進行球磨干混)的電極的圖片，我們可以看到有許多Cb并不是吸附在NCM顆粒表面，而是發(fā)生了分明的團聚。圖c為Cb含量3%，f=0的電極的SEM圖片，從圖片上我們可以看到，大多數(shù)的Cb都吸附在NCM顆粒的表面，團聚顆粒較少。這一結(jié)果說明，干混過程中加入的炭黑Cb并不是全部成為吸附在NCM顆粒表面的固定碳，也就是說我們上面在濕混過程中加入炭黑的比例f并不是全部的自由炭黑，還有一部分干混過程中沒有吸附在NCM顆粒表面的炭黑也成為了自由炭黑，為了表征漿料中自由炭黑的真切比例，對不同的漿料的流變特性進行了研究，并以此表征漿料中的自由炭黑的數(shù)量。

炭黑Cb為納米顆粒，密度比較小，而NCM顆粒比較大，密度比較高，因此漿料中自由炭黑的數(shù)量會顯著的影響漿料體系的流變特性，我們也可以通過漿料的流變特性反向推導(dǎo)出漿料中自由炭黑的數(shù)量。從圖a(炭黑含量為2.5%)我們可以看到，當(dāng)f=1(也就是所有的炭黑都在濕混的過程中加入)的漿料具有最高的彈性模量和粘性模量，并且?guī)缀跖c剪切速度沒有關(guān)系，彈性模量G總是大于G，這聲明此時漿料呈現(xiàn)出一種膠液凝膠的狀態(tài)。隨著f從1降低到0.75和0.5，漿料的模量出現(xiàn)了分明的下降。在f=0.25時，漿料的模量出現(xiàn)了進一步的下降，我們從曲線中能夠發(fā)現(xiàn)彈性模量G與頻率之間沒有顯著的關(guān)系，但是粘性模量G卻隨著頻率的升高而新增，在頻率為10-100時G和G出現(xiàn)了重疊的現(xiàn)象，這聲明此時漿料呈現(xiàn)出一種弱凝膠的狀態(tài)，f=0時漿料的流變特性與f=0.25時幾乎相同，聲明球磨干混并沒有使得所有的Cb吸附在NCM顆粒的表面。

從下b我們可以觀察到Cb含量為3.0wt%的漿料具有類似的特性，但是我們也發(fā)現(xiàn)f=0時，Cb含量3wt%的漿料具有更低的模量，這與上面SEM中所觀察到的是一致的，聲明3%Cb時球磨干混后的漿料中自由碳黑的數(shù)量更少一些。

依據(jù)上面的研究成果，將不同f數(shù)值的漿料在頻率為1rad/s下的模量做成曲線，如圖所示，依據(jù)漿料的模量，將漿料分為了兩個區(qū)間：一個是強凝膠區(qū)，一個是弱凝膠區(qū)。從圖中可以看到自由炭黑的數(shù)量對漿料的模量具有顯著的影響，3%Cb的漿料模量要分明高于2.5%Cb的漿料，但是當(dāng)f=0.5時，兩種漿料的模量是相同的，聲明此時漿料中自由碳黑的數(shù)量是相同的，當(dāng)f進一步降低到0.25后，3%Cb的漿料的模量甚至要低于2.5%的漿料，說明通過球磨干混，3%Cb的漿料中自由炭黑的數(shù)量要少于2.5%的炭黑。

下圖為采用不同的勻漿工藝制備的漿料的倍率性能，當(dāng)炭黑的添加量為2.5%時，我們可以看到f=0的性能最差，f=0.25的性能最好。當(dāng)炭黑的添加量為3%時，f=0和f=0.25的電極表現(xiàn)出了最好的性能，同時Cb含量為3%的NCM材料在高倍率下的容量損失也要分明的小于Cb為2.5%的漿料。

為了分解影響NCM電極倍率特性的因素，對2.5%Cb含量的電極進行了電導(dǎo)率探測，結(jié)果可以看到f=1的電極電導(dǎo)率最高，f=0和0.25的電極電導(dǎo)率較低，這緊要是因為f=1時，全部的炭黑Cb在濕混的過程中形成了長程導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)，提高了電極的電導(dǎo)率，這一點也得到了SEM結(jié)果的確認，而f=0和0.25則由于大部分的炭黑都在球磨干混的過程中吸附在了NCM顆粒的表面，從而導(dǎo)致自由炭黑太少，因此長程導(dǎo)電性能較差，導(dǎo)致電導(dǎo)率較低。

從上面的分解結(jié)果我們不難看出，影響高倍率電池特性的并不是我們通常以為的離子擴散過程，更多的是受到電子導(dǎo)電性的影響，例如3%Cb含量的漿料的倍率特性就要顯著好于2.5%Cb含量的電極，倘若按照離子傳輸為限制環(huán)節(jié)的理論，更多的導(dǎo)電劑意味著電極內(nèi)更加蜿蜒的Li+擴散通道，反而會降低電極的倍率性能。其次也揭示短程導(dǎo)電在高倍率電池性能的影響，研究聲明通過球磨將Cb吸附在NCM顆粒的表面形成更好的短程導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)能夠顯著的提升電極的倍率放電性能，短程導(dǎo)電在電極倍率放電特性中的緊要性甚至要高于長程導(dǎo)電。