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【洞見】技術(shù) | 四探針法測試極片電阻

來源：時間：2022-10-31 17:14:47 瀏覽：8252次

近年來對電池的能量密度、功率性能的需求越來越高，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。

因此通過極片電阻的測試，發(fā)現(xiàn)極片電阻與鋰離子電池電阻之間的對應(yīng)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池電阻進(jìn)行預(yù)評估。不僅如此，通過極片電阻測試結(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)對材料體系的快速評價。

本文通過四探針法原理對電極極片電阻進(jìn)行了測試評價，并通過測試組裝電池的交流阻抗，建立起極片電阻與電池電阻的對應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對電池電阻的預(yù)評估。

一、實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)儀器：根據(jù)四探針測試原理，自組裝兩探頭(直徑1mm)測試裝置，壓力計(jì)一臺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，兩探頭通過兩極柱與電阻計(jì)連接，轉(zhuǎn)動測試裝置手柄，探頭受到穩(wěn)定壓力擠壓極片，壓力大小通過壓力計(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，分別測試EIS，測試頻率為100mHz~100kHz，電池均為放電狀態(tài)。

二、結(jié)果與討論部分

1、極片電阻測試方法建立

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

圖1 極片電阻測試示意圖

進(jìn)行如圖1測試時，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(過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價材料的電子導(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，極片電阻有較大降低，從10.6Ω降低，再添加更多的導(dǎo)電劑，極片電阻沒有明顯的降低，當(dāng)導(dǎo)電劑增加到3.0%時，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，說明在相同體系中，電荷轉(zhuǎn)移阻抗相差不大。交流阻抗測試結(jié)果與極片電阻測試結(jié)果一致。由此看出本測試方法的可靠性。

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通過類四探針法測試出的電阻最小，為4.5Ω，相應(yīng)地組裝成20Ah動力電池后通過交流電阻歐姆表測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裝電池過程中，極組是由極片通過卷繞的方式，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，說明四種極片在同一體系下，極片電阻對溶質(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試值有很好的對應(yīng)關(guān)系，使用測試極片電阻的可以對電池電阻進(jìn)行預(yù)評估。

三、結(jié) 論

使用電池極片電阻測試方法，可以在大批量生產(chǎn)前對鋰離子電池原材料及材料配方進(jìn)行評估和快速篩選，節(jié)約了電池實(shí)效驗(yàn)證時間，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試是較為新穎且有應(yīng)用前景的測試評估方法，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)評估方法研究》

來源：電池中國

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