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粘結劑,、導電劑、活性物質,、集流體：誰在操控極片柔韌性的生死線,？

元能科技 2025-03-26 | 閱讀：128

1. 引言

鋰離子電池作為一種高效、環(huán)保的儲能器件,，已廣泛應用于電動汽車,、消費電子等領域。極片作為電池的核心組件之一,，其性能直接影響了電池的能量密度,、循環(huán)壽命和安全性能。極片柔韌性是指極片在外力作用下發(fā)生形變而不破裂的能力,，是評價極片機械性能的重要指標,。

極片柔韌性較差會導致充放電過程中極片開裂、粉化,，活性物質與集流體之間的接觸變差,，內阻增加，容量衰減加快,，最終縮短電池壽命,。此外，極片柔韌性差還會增加電池在受到機械沖擊時發(fā)生內部短路的風險,，威脅電池安全,。因此，研究極片柔韌性的影響因素并開發(fā)高柔韌性極片材料具有重要意義,。極片主要由活性物質,、導電劑、粘結劑和集流體組成（圖1）,，各組分通過協同作用共同調控其柔韌性,。以下將逐一剖析四者的角色與影響機制。

圖1. 極片各組分構成

2. 活性物質：體積變化與應力分布的“主導者”

活性物質是極片中儲存和釋放鋰離子的主體,，其種類和形貌等都會影響極片柔韌性,。

種類：不同活性物質在充放電過程中的體積變化率不同，例如硅碳負極的體積膨脹率高達300%,，而石墨負極材料的體積膨脹率僅為10%左右,。體積的改變是由應力引起的，局部應力會導致負極顆粒從內部斷裂或者SEI膜剝落（圖2）,。不管是顆粒內部斷裂還是表面SEI膜脫落,，裸露出的電極都會有新的SEI膜生成，加快電極老化,。

形貌：球形或類球形活性物質顆粒有利于提高極片的柔韌性,，這是因為其具有較高的堆積密度和均勻的應力分布,，能夠有效緩沖體積變化產生的應力，而片狀或針狀顆粒容易形成應力集中點,，導致極片局部開裂,。

圖2. 材料開裂示意圖

3. 導電劑：導電網絡與機械強度的“雙刃劍”

導電劑的主要作用是提高極片的電子導電性,，其種類,、含量和分散性也會影響極片柔韌性。

種類：碳納米管,、石墨烯等一維或二維導電劑可以形成三維導電網絡,，連接活性物質顆粒和集流體，提高極片的機械強度和柔韌性,。

含量：適量導電劑：形成連續(xù)導電網絡,，提高極片導電性和機械強度。過量導電劑：占據活性物質空間,，降低極片能量密度,，同時可能增加脆性。

分散性：導電劑均勻分布可有效緩沖應力,，提高極片柔韌性,。導電劑團聚會導致局部應力集中，降低極片柔韌性,。

4. 粘結劑：極片各組分的“粘合劑”

粘結劑是極片的重要組成部分,，其主要作用是粘結活性物質、導電劑和集流體,，賦予極片一定的機械強度,。粘結劑的種類、含量和分子量都會影響極片柔韌性,。

種類：不同粘結劑的機械性能和粘結強度不同,，例如PVDF粘結劑具有較高的機械強度，但柔韌性較差,，容易在充放電過程中開裂,；而SBR是高彈性模量粘結劑能夠有效緩沖體積變化產生的應力，提高極片柔韌性,。

含量：粘結劑含量過低會導致極片機械強度不足,，容易開裂；含量過高則會降低極片中活性物質的比例,，影響電池的能量密度,。

分子量：高分子量粘結劑可以形成更牢固的粘結網絡，提高極片的機械強度,，但可能會降低極片的柔韌性,。

5. 集流體：極片的“支撐骨架”

集流體是極片中電子傳輸的載體,，其材質、厚度和表面處理都會影響極片柔韌性,。

材質：如銅箔和鋁箔,，具有一定的延展性和柔韌性，能為極片提供基本的力學支撐,，有助于提高極片的柔韌性,。但如果集流體本身較厚或純度不高，雜質較多,，可能會降低其柔韌性,，進而影響極片的柔韌性。

厚度：集流體厚度增加,，極片的整體強度會提高,，但柔韌性可能會下降。因為較厚的集流體在彎曲時需要更大的力,，容易產生裂紋,。

表面處理：對集流體表面進行粗糙化處理可以增加其與活性物質之間的接觸面積，增加附著力,，使兩者結合更牢固,，提高極片的柔韌性。但如果粗糙度太大,，可能會導致活性物質分布不均勻,，反而降低極片的柔韌性。

6. 極片柔韌性創(chuàng)新型檢測方法

極片柔韌性是影響鋰離子電池循環(huán)壽命和安全性能的關鍵因素之一,。通過優(yōu)化極片組分和制備工藝,，可以開發(fā)出高柔韌性極片，從而提高電池的循環(huán)壽命和安全性能,，推動鋰離子電池技術的進一步發(fā)展,。為精準評估極片柔韌性，元能科技開發(fā)了基于應力-應變曲線的檢測設備（圖3）,。該方法通過固定極片并施加位移,，實時測量形變過程中的應力與應變（壓力-位移曲線），定量分析柔韌性,。這一技術為優(yōu)化極片組分與工藝提供了數據支撐,，助力高柔韌性極片的研發(fā)。