锂电正负极材料压实密度表征方法

为了提升锂离子电池的体积能量密度，研发人员主要从两方面着手：1、提升正负极材料克容量；2、增大正负极极片压实密度。其中极片的压实密度与活性材料真密度、材料形貌、材料粒径分布及极片工艺有关。材料真密度（True Density）是指材料在绝对密实的状态下单位体积的固体物质的实际质量，即去除内部孔隙或者颗粒间的空隙后的密度，该参数是材料堆积的一个最理想状态，但在实际电芯中，颗粒间的堆积必然存在一定量的空隙，只有通过一定的压力控制孔隙率，才能平衡电解液浸润性与电子和离子传输性能，如图是辊压前后正负极颗粒受压示意图¹。材料压实密度（Compaction Density）和真密度有相似的趋势，常用来评估不同正负极材料的物理性能差异以及监控材料批次稳定性。

图1 （a）（b）正负极极片辊压示意图¹

材料压实密度的计算公式如下：其中D指压实密度Density，S_治具指盛装粉末的治具的面积，L指施加压力时粉末样品厚度。

在测试粉末压实密度时有两种方式：加压法和卸压法。加压法是对粉末施加一定压力后保压一段时间，再测试粉末厚度L_加压，卸压法是指对粉末施加一定压力并保压一段时间，再降低至较小压强并保压一段时间后，测试粉末厚度L_卸压。由于颗粒本身的弹性形变以及颗粒之间的滑移，L_卸压通常大于L_加压，由二者可计算粉末压实密度反弹量。使用卸压法测试，粉末颗粒的受力状态更加接近其在真实极片中的受力状态，因此有更好的参考意义，如国标GB/T 24533-2019《锂离子电池石墨类负极材料》中便是采用类似卸压法测试粉末压实密度²。

1. 粉末质量称取准确：采用万分之一及以上天平称取粉末，即分度值（d） 为0.0001g;

2. 样品厚度测试准确：测厚精度±5um;

3. 粉末装入治具和测试过程中要尽量不漏粉，保证m和L的准确性；

4. 测试前粉末在治具中的堆积状态要尽量一致：采用粉末预振实；

1. 测试设备：

采用PRCD1100（IEST-元能科技）对5种正负极材料进行压实密度测试，设备如图2； 

      图2. (a）PRCD1100外观图；（b）PRCD1100结构图

2. 测试参数：

施加压强范围10-200MPa，加压间隔10MPa，保压10s，卸压至3MPa，保压10s；

3. 取样质量：

钴酸锂/三元粉料2.0000g，LFP/石墨粉料1.0000g，活性炭粉料0.5000g；

4. 测试结果：

对比5种材料压实密度：LCO>NCM>LFP>Graphite>ActivatedCarbon，卸压后粉末压实密度存在反弹，反弹量比较：Graphite> ActivatedCarbon>NCM> LCO >LFP。反弹量通常与材料结构有较大关联，石墨材料属于多层碳结构，层与层之间容易滑移，导致卸压后的厚度出现较大反弹；活性炭由于存在多孔结构，卸压后弹性形变也较大；NCM材料是在LCO的基础结构上替换一定比例的钴，Ni含量越高，三元材料的结构与LCO结构的差异越大，这会影响材料本身的力学性能，正如本文中使用的NCM材料比LCO材料有更大的弹性形变；LFP材料是橄榄石结构，Fe和PO4组成的八面体结构相对稳定，材料的弹性形变较小。

加压法和卸压法得到的压实密度及压密反弹量不仅与材料体系有关，还与颗粒的粒径大小和粒径分布有关，后续可对该方面的影响做进一步探究。

参考文献

1．Sang Gun Lee, Dong Hyup Jeon. Effect of electrode compression on thewettability of lithium-ion batteries.Journal of Power Sources 265(2014) 363-369.

2.《锂离子电池石墨类负极材料》GB/T 24533-2019