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锂电池极片设计及表面缺陷分析检测知识汇总

一、极片设计基础篇

锂电池电极是一种颗粒组成的涂层，均匀的涂敷在金属集流体上。锂离子

电池极片涂层可看成一种复合材料，主要由三部分组成：

(1)活性物质颗粒；

(2)导电剂和黏结剂相互混合的组成相(碳胶相)；

(3)孔隙，填满电解液。

各相的体积关系表示为：孔隙率+活物质体积分数+碳胶相体积分数=1

锂电池极片的设计是非常重要的，现针对锂电池极片设计基础知识进行

简单介绍。

1、电极材料的理论容量

电极材料理论容量，即假定材料中锂离子全部参与电化学反应所能够提

供的容量，其值通过下式计算：

例如，LiFePO4摩尔质量157.756g/mol，其理论容量为：

这计算值只是理论的克容量，为保证材料结构可逆，实际锂离子脱嵌系

数小于1，实际的材料的克容量为：

材料实际克容量=锂离子脱嵌系数×理论容量

2、电池设计容量与极片面密度

电池设计容量可以通过下式计算：
电池设计容量=涂层面密度×活物质比例×活物质克容量×极片涂层面积

其中，涂层的面密度是一个关键的设计参数，压实密度不变时，涂层面密度

增加意味着极片厚度增加，电子传输距离增大，电子电阻增加，但是增加程度有

限。厚极片中，锂离子在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的主要原因，

考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同，离子在孔隙内的迁移距离比极片厚度多出很多

倍。

3、负极-正极容量比N/P

负极容量与正极容量的比值定义为：

N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，这主要是处于安全设计，防止负极侧

锂离子无接受源而析出，设计时要考虑工序能力，如涂布偏差。但是，N/P

过大时，电池不可逆容量损失，导致电池容量偏低，电池能量密度也会降

低。

而对于钛酸锂负极，采用正极过量设计，电池容量由钛酸锂负极的容量确定。

正极过量设计有利于提升电池的高温性能：高温气体主要来源于负极，在正极过

量设计时，负极电位较低，更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。

（4）涂层的压实密度及孔隙率

在生产过程中，电池极片的涂层压实密度通过下式计算，

而考虑到极片辊压时，金属箔材存在延展，辊压后涂层的面密度通过下式计

算。

前面提到，涂层由活物质相、碳胶相和孔隙组成，孔隙率可由下式计算。

其中，涂层的平均密度为：

锂电池电极是一种粉体颗粒组成的涂层，由于粉体颗粒表面粗糙，形状不规

则，在堆积时，颗粒与颗粒间必有孔隙，而且有些颗粒本身又有裂缝和孔隙，所

以粉体的体积包括粉体自身的体积、粉体颗粒间的孔隙隙和颗粒内部的孔隙，因

此，相应的有多种电极涂层密度及孔隙率的表示法。

粉体颗粒的密度是指单位体积粉体的质量。根据粉体所指的体积不同，分为

真密度、颗粒密度、堆积密度三种。各种密度定义如下：

a.真密度指粉体质量除以不包括颗粒内外空隙的体积(真实体积)，求得的密

度。即排除所有的空隙占有的体积后，求得的物质本身的密度。

b.颗粒密度指粉体质量除以包括开口细孔与封闭细孔在内的颗粒体积，求得

的密度。即排除颗粒之间的空隙，但不排除颗粒内部本身的细小孔隙，求得的颗

粒本身的密度。
c.堆积密度，即涂层密度，指粉体质量除以该粉体所组成涂层的体积，求得

的密度。其所用的体积包括颗粒本身的孔隙以及颗粒之间空隙在内的总体积。

对于同一种粉体，真密度>颗粒密度>堆积密度。

粉体的孔隙率是粉体颗粒涂层中孔隙所占的比率，即粉体颗粒间空隙和颗粒

本身孔隙所占体积与涂层总体积之比，常用百分率表示。粉体的孔隙率是与粒子

形态、表面状态、粒子大小及粒度分布等因素有关的一种综合性质，其孔隙率的

大小直接影响着电解液的浸润和锂离子传输。一般来说，孔隙率越大，电解液浸

润容易，锂离子传输较快。所以在锂电池设计中，有时要测定孔隙率，常用压汞

法、气体吸附法等进行测定。也可通过密度计算求得。当采用不同的密度进行计

算时，孔隙率含义也不同。

当活物质、导电剂、粘结剂的密度都采用真密度计算孔隙率时，所计算的孔

隙率包括颗粒之间的空隙、颗粒内部空隙。当活物质、导电剂、粘结剂的密度都

采用颗粒密度计算孔隙率时，所计算的孔隙率包括颗粒之间的空隙、而不包括颗

粒内部空隙。因此，锂电池极片的孔隙尺寸也是多尺度的，一般地颗粒之间的空

隙在微米级尺寸，而颗粒内部空隙在纳米到亚微米级。

在多孔电极中，有效扩散率、传导率等输运物性的关系可用下式表示：

其中，D0表示材料本身固有扩散(传导)率，ε为相应相的体积分数，τ为相

应物相的迂曲率。在宏观均质模型中，一般采用Bruggeman关系式，取系数ɑ=1.5

来估计多孔电极的有效物性。

电解液填充在多孔电极的孔隙中，