聚合物鋰電池不同極片的電解液浸潤速率。電池極片的電解液浸潤對性能影響很大，電解液浸潤效果不好時，離子傳輸路徑變遠，阻礙了鋰離子在正負極之間的穿梭，未接觸電解液的極片無法參與電池電化學反應，同時電池界面電阻增大，影響鋰電池的倍率性能、放電容量和使用壽命。不同極片的電解液浸潤情況會怎么樣？

實驗方法

　　實驗裝置如下圖所示，裝置處于惰性氣體保護氛圍中。電解液容器放置在可加熱的升降平臺上，平臺升降通過電機驅動，可以精確控制位移。極片樣品懸掛在電子天平上，控制升降平臺使極片樣品浸沒在電解液中5mm。數(shù)據(jù)采集器實時記錄樣品重量增加數(shù)據(jù)，通過質量—時間（m—t）數(shù)據(jù)分析極片的電解液浸潤速率。

聚合物鋰電池電解液浸潤速率測試裝置示意圖

理論模型

　　電極中的電解質潤濕過程是由毛細管力驅動的自發(fā)液體吸附過程，忽略慣性和重力的影響，因此，聚合物鋰電池電極中電解液重量隨時間變化的關系可用修正的 Lucas-Washburn 方程描述、即公式 2-1a 和 2-1b 。

　　其中，t：時間；?m：m-t 曲線中電解液的質量；ρsol：溶液密度；Ae：極片樣品的橫截面積；K：電解液在多孔電極的浸潤速率，P：電極孔隙率；reff：電極有效孔徑； 電解液溶液表面張力；θ，電解液與電極接觸角；電解液粘度。

　　實驗測試采集到的典型質量—時間曲線如下圖所示，極片浸入電解液后，表面吸收電解液，質量迅速增加。之后，電解液在電極孔隙內浸潤，質量慢慢增加，電解液浸潤速率主要分析這個過程的曲線求得，電解液下降離開極片后質量迅速降低，再電極表面的電解液滴落質量緩緩下降。

典型的電解液浸潤過程極片質量—時間曲線

　　對電解液浸潤階段的曲線進行分析，如圖2-2b所示。根據(jù)公式2-1a，橫坐標為時間的平方根，縱坐標為質量/（樣品橫截面積•電解液密度），作圖。對曲線進行線性擬合，直線斜率即為電解液浸潤速率K。

正負極極片對比

　　正極：95%NMC，顆粒直徑d50=7-10微米

　　負極：95%石墨，d50=6-9微米

　　電解液：EC:EMC=3:7，1.2M LiPF6

　　正負極極片分別測試了15個樣品，數(shù)據(jù)分布如圖2-3所示，計算平均值列入表2-1中。負極極片電解液浸潤速率比正極極片大（0.244 > 0.175），負極吸附電解液更快。

　　浸潤速率和極片微結構關聯(lián)，壓汞法測試極片孔結構，如圖2-5所示。極片種的孔可以分為兩類，（I）大孔，顆粒之間的孔隙；（II）小孔，顆粒內部的孔隙。孔腔之間通過喉道聯(lián)通。從圖中分析計算兩類孔的參數(shù)，列入表2-3，負極總孔隙率比正極大，負極平均孔徑也比正極大，負極小孔占總孔比值高，孔隙聯(lián)通性更好，圖2-6是正負極極片形貌對比。因此，負極浸潤速率更快。

極片壓實密度影響

　　相同面密度，四種不同壓實密度的負極極片孔隙率，平均孔徑，浸潤速率如表3-2所示。根據(jù)公式2-1b，橫坐標為孔隙率*孔徑的平方根，縱坐標為浸潤速率，做線性擬合，擬合相關性不是特別好，如圖3-3所示。

　　浸潤速率與微觀結構建立聯(lián)系。圖3-4是四種極片的形貌，片狀石墨傾向于平行集流體排列，而且隨著壓實增加，這種平行排列傾向增加，如圖3-8所示。

　　如圖3-9，三個或四個大的石墨顆粒之間形成較大的孔腔，而孔腔之間通過兩個平行顆粒之間的狹長通道聯(lián)通，電解液先在孔腔內匯聚，然后擴散到附近的喉部。因此，電解質的潤濕速率主要受聯(lián)通孔腔之間的喉嚨和孔腔體積控制。

導電劑比例的影響

　　石墨負極通過改變導電劑比例控制極片微觀結構，粘結劑CMC：SBR=1：1，總含量為3%，具體導電劑比例如表4-1所示。

　　三種極片的電解液浸潤速率如表4-2所示，增加導電劑，極片孔隙率增加，孔徑也增加。5%導電劑的極片電解液浸潤速率最小，這與孔結構特征有關，如圖4-6所示，導電劑含量少（3%）時，活性物質顆粒之間的孔腔內幾乎沒有導電劑存在，隨著導電劑含量增加（5%），活性物質顆粒之間的孔腔沒填充著導電劑，形成了導電劑域內的細小孔隙，而導電劑進一步過量（7%）時，由于導電劑高度團聚，在孔腔內的導電劑又會形成導電劑域內的較大孔隙。導電劑內部的細小孔隙不利于電解液擴散，因此綜合結果如表4-2所示。

Figure 4-6 Typical void feature in different electrode film. a, bare pore wall in 3%CB, b, microcrack between CB domain and graphite 5%CB, c, a second pore formed in the CB domain in 7%CB.

　　論文還討論了溶劑與添加劑對電解液浸潤速率的影響，具體結果如表5-1和5-2所示，具體揭示可以參照公式2-1b。據(jù)了解該博士論文作者目前在ATL任職。

　　總結：石墨負極的電解液浸潤速率大于正極，這與孔隙率和孔徑相關，而浸潤速率還受到孔結構特征影響，比如孔腔之間的喉道尺寸，小孔和大孔的比例與分布等。而孔結構主要可以通過輥壓工藝，材料形貌，導電劑含量等控制。

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