图片锂离子电池是由正负极极片、隔膜以及电解液等组装起来的一个多组分综合体系，其中，正负极极片是提供和影响电池性能的重要组分。当电池在工作时，电子和离子在极片中传输，发生一系列化学和电化学反应，因此极片的导电性以及导电网络的均匀性，是影响电池性能的重要因素之一。其中集流体作为锂离子电池内部导通电子和承载活性物质的载体，对电芯的最终性能有着重要作用。铝箔是最常用的正极集流体，为了提升电极的倍率、循环和使用寿命，在铝箔表面涂敷一些导电涂层，可有效改善集流体与活性颗粒的界面接触电阻，且提高活性物质与集流体的粘结强度，减小电极循环过程中的活性颗粒剥落问题[1]。

图1.空铝箔与涂碳铝箔的表面形貌示意图[1]

 

目前涂碳铝箔大部分都用于磷酸铁锂动力电池上，主要是因为橄榄晶型结构LiFePO4材料本身电子和离子电导率低且存在与集流体的粘结不牢固等问题[2]，其应用又受到了一定限制。涂碳铝箔具有较低的接触阻抗和较高的粘附性，将涂碳铝箔材料应用于LiFePO4正极集流体中，可降低两者之间的电荷转移电阻和电池的内阻，弱化电池内部极化，提高锂离子在材料中的扩散速率，进而提升电池的倍率性能和循环性能等[3-5]。

 

图2.涂碳集流体对电芯性能的影响示意图[1]

 

本文主要结合使用元能科技（厦门）有限公司的极片电阻仪（BER2500，IEST）对比评估空铝箔与涂碳铝箔的空箔材电子导电性能、空铝箔涂敷磷酸铁锂极片与涂碳铝箔涂敷磷酸铁锂极片的电子导电性能，探究涂碳铝箔对磷酸铁锂极片电子导电性能的改善作用。

 

一、测试条件

 

 

1.1 测试设备：

 

图3为元能科技自主研发的极片电阻仪（BER2500，IEST），电极试样直径14mm，可施加压强范围5~60MPa。可同步采集极片的电阻、电阻率、电导率、压实密度等参数，设备如图3（a）和3（b）所示。

图3.(a）BER2500外观图；（b）BER2500结构图

 

1.2 实验流程：

 

（1）箔材电阻测试

 

①准备一组空铝箔和涂碳铝箔，记为KB和TCB。

 

②在MRMS软件上设置测试参数，选择单点测试模式，压强选择5MPa、保压15s，每张箔材采样8个数据，软件自动读取箔材厚度、电阻、电阻率、电导率等数据。

 

（2）极片电阻测试

 

①准备一组空铝箔涂敷磷酸铁锂极片与涂碳铝箔涂敷磷酸铁锂极片，记为K-LFP和TC-LFP。

 

②在MRMS软件上设置测试参数，选择单点测试模式，压强选择25MPa、保压15s，每张极片采样8个数据，软件自动读取极片厚度、电阻、电阻率、电导率等数据。

 

二、数据分析

 

 

2.1 箔材电阻分析：

 

 

图4.两种箔材的厚度、电阻和电阻率测试结果对比

 

图4展示了两种箔材的厚度、电阻和电阻率的测试对比结果，从厚度数据可看出，由于涂碳铝箔的导电碳层是双面涂布的，所以可以得到导电碳层厚度约2µm左右。对比这两种箔材的电阻和电阻率：空铝箔<涂碳铝箔，说明在集流体上增加涂碳层后会降低箔材的导电性，主要是因为当增加了涂碳层后，在采用两探针原理测试出的箔材电阻时，会引入涂碳层本身和涂碳层与箔材之间的接触电阻，使得电子的导电性减弱，所以涂碳铝箔的电阻和电阻率会比空箔材大。对比测试电阻和电阻率的COV数值来看，有涂碳层的箔材电阻测试稳定性会优于空铝箔，是由于涂碳层增加了铝箔的表面粗糙度，有更多的电子通路，所以测试数据就更加稳定。

 

图5.两种极片的厚度、电阻和电阻率测试结果对比

 

从图5的两种极片的电阻和电阻率的测试对比结果可以看出，虽然涂碳铝箔的电阻比空铝箔大，但是涂敷上活性物质之后，使用涂碳铝箔的极片电阻和电阻率比使用空铝箔的磷酸铁锂极片低，且测试数据稳定性也更好，主要是因为涂碳铝箔上的导电碳层可以增加磷酸铁锂与集流体之间的接触面积，可以收集更多来自磷酸铁锂的微电流，提供极佳的静态导电性能，从而可以大幅度降低磷酸铁锂和集流之间的接触电阻。在全电池中也可以更快的传递电子，收集电流，从而提高电池倍率充放电性能。并且，涂碳层中也含有少量粘结剂，可以增强磷酸铁锂极片的柔韧性和机械缓冲性，从而提磷酸铁锂和集流之间的附着力，在电池进行长循环时可以最大限度地减少由于长期循环反应过程中界面处产生的应力引起的接触面积逐渐丧失而产生的相关问题。

 

三、总结

 

本文使用元能科技（厦门）有限公司研发的极片电阻仪（BER2500，IEST）对空铝箔与涂碳铝箔的空箔材电子导电性能、空铝箔涂敷磷酸铁锂极片与涂碳铝箔涂敷磷酸铁锂极片的电子导电性能进行测试，并探究了增加碳涂层之后对箔材和磷酸铁锂极片的电子导电性的影响。使用涂碳铝箔虽然会增加箔材的电阻和电阻率，但是可以改善箔材的电子导电的均匀性和一致性，涂布上磷酸铁锂之后，可以降低磷酸铁锂极片的电阻和电阻率且测试数据稳定性也更好，从而可以有效改善磷酸铁锂电池中的内阻。

 

总之，使用涂碳铝箔其作用除了改善界面接触电阻，还具有以下几点潜在的协同效益：

 

(1) 化学和电化学稳定的导电层可以作为一种有效的扩散屏障，阻止由于电解质分解和锂离子嵌入反应过程中副反应产生的氧的扩散，有效地防止金属集流体表面上形成氧化层，从而防止降解; 

 

(2) 合理配方的导电层具有较好的导电性，可以形成大面积的接触，集流体和活性涂层界面电阻低，从而有利于快速的电荷转移过程；

 

(3) 导电层的柔韧性和机械缓冲性可以增强物理界面的附着力，从而最大限度地减少长期循环反应过程中界面处产生的应力引起的接触面积逐渐丧失而产生的相关问题。通过设计和开发独特的导电涂层，实验证明了导电界面层可以显著提高电化学性能，例如比可逆容量、容量保持率、倍率性能等。

 

四、参考文献

 

[1] Busson, C, Blin, M.A., Guichard, P., Soudan, P., Crosnier, O., Guyomard, D., & Lestriez, B. (2018). A primed current collector for high performance carbon-coated LiFePO4 electrodes with no carbon additive. Journal of Power Sources, 406, 7-17.

 

[2] 孔令涌，黄少真，尚伟丽，等. LiFePO4/膨胀石墨复合材料的制备及性能[J]. 电子元件与材料，2016，35(1)：64-67.

 

[3] 邓龙征，吴锋，高旭光，等 .涂碳铝箔对磷酸铁锂电池性能影响研究[J]. 无机化学学报，2014(4)：770-778.

 

[4] 马守龙，杨茂萍，刘兴亮，等 . 铝箔涂碳对LiFePO4/C电池性能的影响[J]. 电池，2017，47(1)：39-42.

 

[5] 杨泛明，焦奇方，伍伟，等 . 涂碳铝箔对LiFePO4动力电池性能影响[J]. 化工进展，2019，38(10)：4639-4644.

来源：元能科技

关键词： 涂碳铝箔 磷酸铁锂极片 导电性能