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前言

鋰離子電池是由正負極極片、隔膜以及電解液等組裝起來的一個多組分綜合體系，其中，正負極極片是提供和影響電池性能的重要組分。當電池在工作時，電子和離子在極片中傳輸，發生一系列化學和電化學反應，因此極片的導電性以及導電網絡的均勻性，是影響電池性能的重要因素之一。其中集流體作為鋰離子電池內部導通電子和承載活性物質的載體，對電芯的最終性能有著重要作用。鋁箔是最常用的正極集流體，為了提升電極的倍率、循環和使用壽命，在鋁箔表面涂敷一些導電涂層，可有效改善集流體與活性顆粒的界面接觸電阻，且提高活性物質與集流體的粘結強度，減小電極循環過程中的活性顆粒剝落問題[1]。

圖1.空鋁箔與涂碳鋁箔的表面形貌示意圖[1]

目前涂碳鋁箔大部分都用于磷酸鐵鋰動力電池上，主要是因為橄欖晶型結構LiFePO4材料本身電子和離子電導率低且存在與集流體的粘結不牢固等問題[2]，其應用又受到了一定限制。涂碳鋁箔具有較低的接觸阻抗和較高的粘附性，將涂碳鋁箔材料應用于LiFePO4正極集流體中，可降低兩者之間的電荷轉移電阻和電池的內阻，弱化電池內部極化，提高鋰離子在材料中的擴散速率，進而提升電池的倍率性能和循環性能等[3-5]。

圖2.涂碳集流體對電芯性能的影響示意圖[1]

本文主要結合使用元能科技（廈門）有限公司的極片電阻儀（BER2500，IEST）對比評估空鋁箔與涂碳鋁箔的空箔材電子導電性能、空鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片與涂碳鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片的電子導電性能，探究涂碳鋁箔對磷酸鐵鋰極片電子導電性能的改善作用。

一、測試條件

1.1 測試設備：

圖3為元能科技自主研發的極片電阻儀（BER2500，IEST），電極試樣直徑14mm，可施加壓強范圍5~60MPa。可同步采集極片的電阻、電阻率、電導率、壓實密度等參數，設備如圖3（a）和3（b）所示。

圖3.(a）BER2500外觀圖；（b）BER2500結構圖

1.2 實驗流程：

（1）箔材電阻測試

①準備一組空鋁箔和涂碳鋁箔，記為KB和TCB。

②在MRMS軟件上設置測試參數，選擇單點測試模式，壓強選擇5MPa、保壓15s，每張箔材采樣8個數據，軟件自動讀取箔材厚度、電阻、電阻率、電導率等數據。

（2）極片電阻測試

①準備一組空鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片與涂碳鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片，記為K-LFP和TC-LFP。

②在MRMS軟件上設置測試參數，選擇單點測試模式，壓強選擇25MPa、保壓15s，每張極片采樣8個數據，軟件自動讀取極片厚度、電阻、電阻率、電導率等數據。

二、數據分析

2.1 箔材電阻分析：

圖4.兩種箔材的厚度、電阻和電阻率測試結果對比

圖4展示了兩種箔材的厚度、電阻和電阻率的測試對比結果，從厚度數據可看出，由于涂碳鋁箔的導電碳層是雙面涂布的，所以可以得到導電碳層厚度約2μm左右。對比這兩種箔材的電阻和電阻率：空鋁箔<涂碳鋁箔，說明在集流體上增加涂碳層后會降低箔材的導電性，主要是因為當增加了涂碳層后，在采用兩探針原理測試出的箔材電阻時，會引入涂碳層本身和涂碳層與箔材之間的接觸電阻，使得電子的導電性減弱，所以涂碳鋁箔的電阻和電阻率會比空箔材大。對比測試電阻和電阻率的COV數值來看，有涂碳層的箔材電阻測試穩定性會優于空鋁箔，是由于涂碳層增加了鋁箔的表面粗糙度，有更多的電子通路，所以測試數據就更加穩定。

圖5.兩種極片的厚度、電阻和電阻率測試結果對比

從圖5的兩種極片的電阻和電阻率的測試對比結果可以看出，雖然涂碳鋁箔的電阻比空鋁箔大，但是涂敷上活性物質之后，使用涂碳鋁箔的極片電阻和電阻率比使用空鋁箔的磷酸鐵鋰極片低，且測試數據穩定性也更好，主要是因為涂碳鋁箔上的導電碳層可以增加磷酸鐵鋰與集流體之間的接觸面積，可以收集更多來自磷酸鐵鋰的微電流，提供極佳的靜態導電性能，從而可以大幅度降低磷酸鐵鋰和集流之間的接觸電阻。在全電池中也可以更快的傳遞電子，收集電流，從而提高電池倍率充放電性能。并且，涂碳層中也含有少量粘結劑，可以增強磷酸鐵鋰極片的柔韌性和機械緩沖性，從而提磷酸鐵鋰和集流之間的附著力，在電池進行長循環時可以最大限度地減少由于長期循環反應過程中界面處產生的應力引起的接觸面積逐漸喪失而產生的相關問題。

三、總結

本文使用元能科技（廈門）有限公司研發的極片電阻儀（BER2500，IEST）對空鋁箔與涂碳鋁箔的空箔材電子導電性能、空鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片與涂碳鋁箔涂敷磷酸鐵鋰極片的電子導電性能進行測試，并探究了增加碳涂層之后對箔材和磷酸鐵鋰極片的電子導電性的影響。使用涂碳鋁箔雖然會增加箔材的電阻和電阻率，但是可以改善箔材的電子導電的均勻性和一致性，涂布上磷酸鐵鋰之后，可以降低磷酸鐵鋰極片的電阻和電阻率且測試數據穩定性也更好，從而可以有效改善磷酸鐵鋰電池中的內阻。

總之，使用涂碳鋁箔其作用除了改善界面接觸電阻，還具有以下幾點潛在的協同效益：

(1) 化學和電化學穩定的導電層可以作為一種有效的擴散屏障，阻止由于電解質分解和鋰離子嵌入反應過程中副反應產生的氧的擴散，有效地防止金屬集流體表面上形成氧化層，從而防止降解; 

(2) 合理配方的導電層具有較好的導電性，可以形成大面積的接觸，集流體和活性涂層界面電阻低，從而有利于快速的電荷轉移過程；

(3) 導電層的柔韌性和機械緩沖性可以增強物理界面的附著力，從而最大限度地減少長期循環反應過程中界面處產生的應力引起的接觸面積逐漸喪失而產生的相關問題。通過設計和開發獨特的導電涂層，實驗證明了導電界面層可以顯著提高電化學性能，例如比可逆容量、容量保持率、倍率性能等。

四、參考文獻

[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，黃少真，尚偉麗，等. LiFePO4/膨脹石墨復合材料的制備及性能[J]. 電子元件與材料，2016，35(1)：64-67.

[3] 鄧龍征，吳鋒，高旭光，等 .涂碳鋁箔對磷酸鐵鋰電池性能影響研究[J]. 無機化學學報，2014(4)：770-778.

[4] 馬守龍，楊茂萍，劉興亮，等 . 鋁箔涂碳對LiFePO4/C電池性能的影響[J]. 電池，2017，47(1)：39-42.

[5] 楊泛明，焦奇方，伍偉，等 . 涂碳鋁箔對LiFePO4動力電池性能影響[J]. 化工進展，2019，38(10)：4639-4644.