极片电阻法用于评估极片AB面涂覆均匀性

前 言

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综合体系，当电池在工作时，电子和离子在极片微观结构中传输，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。对于极片涂布工艺来说，目前大多为双面单层涂布，当A面涂布完成后再进行B面涂布，评估两面涂覆均匀性的方法主要采用测厚或者面密度，但由于涂布时间的差异导致浆料有一定程度变化时，AB面的导电均匀性也可能会有差异，如何更全面的评估双面极片的均匀性是极片质量监控的关键¹。本文采用极片电阻法，分别尝试不同的测试方式来区分AB面的差异，最终明确了可以有效区分差异性的测量方式，可用于评估涂布和辊压工艺的一致性，助力电芯生产过程的质量管控。

图1. 双面极片卷

1. 实验设备与测试方法

1.1 实验设备：型号BER1300（IEST元能科技），电极直径14mm，设备如图2（a）和2（b）所示。

图2. (a）BER1300外观图；（b）BER1300结构图

1.2 测试方法：将待测极片放置于极片电阻仪两电极之间，在MRMS软件上设置测试压强，保压时间参数，开始测试，软件自动读取极片厚度、电阻、电阻率、电导率等数据。

每个极片随机选取不同位置进行测试，并按公式(1)计算变异系数COV(Coefficient of Variation)，COV越大说明极片均匀性越差。

2. 评价AB面涂层均匀性意义

2.1 AB面涂层差异的可能原因

涂布工艺阶段涉及许多工艺参数，每个参数都会对涂覆极片产生不同的影响。比如浆料特性参数，电极浆料是微米级活性固体颗粒、纳米级导电剂颗粒悬浮在粘结剂溶液中，固体颗粒受到重力、布朗运动力、浮力等，存在沉降、随机布朗运动、团聚-解聚等运动过程，因而浆料导电剂、活性颗粒的分布状态以及它们之间的相互作用不可避免地会发生变化，从而会对涂布均匀性产生影响。因此，涂布过程中，极片长度方向以及AB面可能出现差异，如面密度不一致、导电剂和粘结剂分布状态不同等。同时，电极湿涂层干燥过程中也会由于溶剂干燥过程迁移到极片表面时，溶解在溶剂中的粘结剂以及导电剂颗粒都可能随着溶剂蒸发一起迁移，导致粘结剂上浮，导电剂分布也不均匀，特别是A面涂布干燥之后，再进行B面涂布的工艺过程，B面干燥参数与A面相同时，由于A面涂层的影响，B面极片湿涂层的干燥状态和速率可能并不相同，从而容易导致AB面差异，特别是粘结剂和导电剂的分布状态，从而出现涂层Ab面粘结强度和电导率的差异。

2.2 AB面涂层差异对性能的影响

AB面涂层的差异必然引起电池一致性差，特别是AB面涂层差异可能导致以下问题：（1）两面面密度不一致、或者由于电导率不一样引起活性物质利用率不一致等导致AB面实际的负正极容量比N/P不一样，可能出现某一面不会析锂而另一面出现析锂现象；（2）AB面由于电导率差异，导致电池两面出现锂化程度或荷电状态不一样，长期循环过程中AB面长期累积不同的应力导致极片出现裂纹，涂层脱落失效。因此，评估AB面涂层均匀性和差异具有重要的意义。

3. 数据分析

3.1 五种测试方法介绍

为了评估双面极片的AB面涂覆一致性，我们采用如图3所示的五种测试方式，其中方式1和2分别是将极片正反放置于上下测试电极中间，方式3和4是分别两面对折极片后放置于上下测试电极中间，方式5是在方式4的基础上，剪开对折线使拐角处的极片断开，然后放置于上下测试电极中间。对五种测试方式测出的总电阻进行分析，电流传输路径和计算公式如图3所示，包括A或B面涂层本身的电阻、箔材本身的电阻、测试电极与A或B面涂层的接触电阻、涂层与箔材的接触电阻以及涂层与涂层的接触电阻。当忽略AB面涂层和上下电极表面状态的微小差异时，从各方法的计算公式可理论推测出方式1和方式2无显著差别，方式3和方式4的差异主要来自A或B面涂层的差异，因为施加的电流在这两种测试方式中的流动更多会选择穿透导电性较好的箔材。而方式5的总电阻略大于方式1加方式2的总和，因为该方式多了一个涂层A和涂层B的接触电阻。接下来，我们进一步通过实测电阻数据验证理论计算结果。

图3.五种双面极片测试方法示意图及理论电阻计算公式

3.2 五种方法极片电阻测试

分别选取双面的正负极片进行上述五种方式测试极片电阻，采用25MPa测试压强，保压15s，每组测试5个平行点，结果如图4所示。考虑极片整体的均匀性分布可能会有些差异，因此前两种正反放置极片的方式测出的电阻值可认为无差异，而对折A面朝上和对折B面朝上两种方式，电阻值是有明显差异的，这两种方式的差异主要来自A和B面涂层本身的差异。当把对折线剪断后，从图4（b）和（d）可明显看出总电阻增大两倍多，这与理论解释是一致的趋势，此时施加的电流在穿透箔材后继续垂直跨过下层的涂层，到达下电极。因此，当评估正负极片AB面涂覆一致性时，可采用极片正反对折的方式进行极片电阻的测试。

图4. 正负极片采用五种测试方式的极片电阻对比图

4. 总结

本文采用元能科技的BER系列极片电阻仪，对比了正负极片不同测试方式时的电阻差异，结合理论分析和实测数据，发现当采用正反对折极片的方式进行测试时，可用于区分双面涂布的极片AB面的差异性，该方法可用于评估涂布和辊压工艺的一致性，助力电芯生产过程的质量管控。

参考文献

1. 郎鹏，任剑. 发展我国锂离子动力电池关键工艺设备思考[J]. 电子工业专用设备. 2009(11): 23-26.

2. Mohit Bajaj, Ravi Prakash, Matteo Pasquali. A computational study of the effect of viscoelasticity on slot coating flow of dilute polymer solutions[J]. J. Non-Newtonian Fluid Mech. 2008 (149): 104–123