正负极粉体材料、隔膜、电解液、导电剂、粘结剂、集流体等是锂离子电池制造的主要原材料；锂离子电池的生产就是以最优的工艺条件将这些原材料加工成电池的过程。这些原材料的参数发生改变需要针对性的对工艺条件进行优化和调整，才能获得最优电性能的锂离子电池。锂离子电池正、负极极片参数设计是锂电工艺开发的关键，包含活性物质负载、孔隙率、厚度以及活性物质、导电剂和粘结剂之间的比例。其中导电剂的类别、含量、性能等是影响锂离子电池充放电过程中电子传输的关键因子，而电子传导特性直接决定电化学性能的优劣。实际极片工艺设计中，活性物质尤其是正极材料电子导电性能相对较差，电子传输路径主要通过导电剂路径来实现，如图1为理想状态下锂电极片的的微观结构示意图。极片的电子导电性能影响着电池的各项基本性能，不仅限于电芯的功率性能，而且影响电芯的可靠性以及安全性能。极片电阻可以较好地评价电极制作过程中电子导电网络的性能或电极微观结构的均匀性，助力研究和改进电极的配方以及混合、涂布和辊压工艺的控制参数。锂电当前的研究中越来越多的研究人员在关注极片层级的电子导电性能同时，也会关注锂电粉体材料的电子导电性能，并尝试找出两者的关联性，以便从粉体材料层级直接预估极片层级的电子导电性能。

图1.理想电极微观结构示意图

本文主要结合NCM523系列锂离子电池粉体材料，结合粘结剂PVDF及导电剂SP进行粉体层级预混后评估混合粉体的电子导电性能，同时对同等配比的粉体进行浆料制备及涂布，评估成品极片的电子导电性能，明确导电剂对各层级导电性能的影响，并对其相关性进行初步探究。

1.测试方法

1.1 测试设备：采用PRCD3100（IEST-元能科技）系列粉末电阻仪对粉体材料的导电性能进行测定评估；采用BER2500（IEST-元能科技）系列极片电阻仪对极片导电性能进行评估。

图2. (a）PRCD系列外观&结构示意图；

（b）BER系列外观&结构示意图

1.2 样品制备与测试

1.2.1 分别按照：NCM:PVDF=19:1及NCM:SP:PVDF=18:1:1配比充分混合制备不同NCM配比的混合粉体并进行10-200MPa范围内的粉体电阻测试； 

1.2.2 按照表1配比参数进行浆料制作，用200μm刮刀进行手动涂布，并对制得极片进行极片电阻测试。

表1. 极片制备浆料配比

2.测试结果

分别对SP、NCM及混合粉体NCM+PVDF和NCM+SP+PVDF进行粉体电阻测试，从表2及图3测试结果上可以看出，无论是在低压强还是高压强下，在NCM活性粉体中加入粘结剂PVDF后，电子导电性明显变差，而加入具有较好导电性的SP之后，混合粉体电子导电性得到明显提升。锂离子电池正极活性粉体电子导性能评估过程中，电子导通多为颗粒与颗粒之间的接触导通，加入电子导电性能差的PVDF粉体后，PVDF粉体会降低原有活性颗粒间的接触占比，造成整体导通路径的改变，进而导致整体电子导电性能的下降。导电剂在锂离子电池电极中的作用是提供电子传输的通道，适量的导电剂含量能获得相对较高的放电容量和较好的循环性能，导电剂含量过过高或过低都会对电性能造成影响，导电剂含量太高时会降低活性物质的相对含量，使电池的比容量降低，而含量过低时电子导通通道少，对大电流充放电不利，电极中活性物质的利用率也相对较低。从粉体电阻的测试结果上看，导电剂SP相对于活性粉体NCM有非常优越的电子导电性能，在NCM+PVDF混合粉体中加入SP后，全压强范围内粉体电子导电性能也得到了显著提升，主要也是因为加入导电性好的SP后，实际粉体测定过程的电子导通路径发生的改变，更多是沿着导电性较好的SP路径传输，也进一步明确了导电剂在锂离子电池电极中的主要作用。

表2. 粉体电阻测试结果对比表

图3.10MPa&200MPa压强条件下粉体电阻测试结果

为进一步明确材料之间电子导电性能的关联性，针对不同粉体按照表1配比进行浆料制备，并结合刮刀进行同等条件下的手动涂布，制成极片后进行极片电阻测试。如表3&图4为极片电阻测试结果，不同配比下极片的电子导电性能差异较大，与表2&图3混粉电阻结果进行对比，在极片层级同样呈现出加入导电剂SP后导电性得到快速提升的现象，进一步明确无论在预混粉体层级还是极片层级导电剂的加入都可以有效提升电子导电通路。实际电极工艺开发阶段对导电剂配比的优化也是至关重要的，导电剂的用量和导电剂材料的粒径、活性材料的比表等条件紧密相关。活性物质比表面积越大，导电剂粒径越大，导电剂用量越多，应以导电网络逾渗理论模型为参考进行系统化实验确定最优配比。

表3.极片电阻测试结果对比表

图4.不同配方下极片电阻测试结果均值对比

3.总结

本文采用PRCD系列粉体电阻检测设备和BER系列极片电阻检测设备从混合粉体和极片两个层级进行电阻性能的系统化评估，明确导电剂的作用及影响，明确了不同层级间具有趋势上的关联性，以此为基础可进一步优化体系配方，从粉体性能对极片层级的性能进行初步预估，为锂离子电池工艺研发提供一种新思路。

4.参考资料

1. B.G. Westphal et al. Journal of Energy Storage 11 (2017) 76–85.

2. Kentaro Kuratani et al. Journal of The Electrochemical Society, 166  (2019) (4) A501-A506.

3. Chen Y H , Wang C W , Liu G ,et al.Selection of Conductive Additives in Li-Ion Battery Cathodes[J].Journal of the Electrochemical Society,2007, 154(10):A978.

4. Miranda D , Goren A , Costa C M ,et al.Theoretical simulation of the optimal relation between active material, binder and conductive additive for lithium-ion battery cathodes[J].Energy, 2019, 172(APR.1):68-78.

5.mikoWoo@理想生活.锂离子电池极片理论及工艺基础.