粘结剂、导电剂、活性物质、集流体：谁在操控极片柔韧性的生死线？

1. 引言

锂离子电池作为一种高效、环保的储能器件，已广泛应用于电动汽车、消费电子等领域。极片作为电池的核心组件之一，其性能直接影响了电池的能量密度、循环寿命和安全性能。极片柔韧性是指极片在外力作用下发生形变而不破裂的能力，是评价极片机械性能的重要指标。

极片柔韧性较差会导致充放电过程中极片开裂、粉化，活性物质与集流体之间的接触变差，内阻增加，容量衰减加快，最终缩短电池寿命。此外，极片柔韧性差还会增加电池在受到机械冲击时发生内部短路的风险，威胁电池安全。因此，研究极片柔韧性的影响因素并开发高柔韧性极片材料具有重要意义。极片主要由活性物质、导电剂、粘结剂和集流体组成（图1），各组分通过协同作用共同调控其柔韧性。以下将逐一剖析四者的角色与影响机制。

图1. 极片各组分构成

2. 活性物质：体积变化与应力分布的“主导者”

活性物质是极片中储存和释放锂离子的主体，其种类和形貌等都会影响极片柔韧性。

种类：不同活性物质在充放电过程中的体积变化率不同，例如硅碳负极的体积膨胀率高达300%，而石墨负极材料的体积膨胀率仅为10%左右。体积的改变是由应力引起的，局部应力会导致负极颗粒从内部断裂或者SEI膜剥落（图2）。不管是颗粒内部断裂还是表面SEI膜脱落，裸露出的电极都会有新的SEI膜生成，加快电极老化。

形貌：球形或类球形活性物质颗粒有利于提高极片的柔韧性，这是因为其具有较高的堆积密度和均匀的应力分布，能够有效缓冲体积变化产生的应力，而片状或针状颗粒容易形成应力集中点，导致极片局部开裂。

图2. 材料开裂示意图

3. 导电剂：导电网络与机械强度的“双刃剑”

导电剂的主要作用是提高极片的电子导电性，其种类、含量和分散性也会影响极片柔韧性。

种类：碳纳米管、石墨烯等一维或二维导电剂可以形成三维导电网络，连接活性物质颗粒和集流体，提高极片的机械强度和柔韧性。

含量：适量导电剂：形成连续导电网络，提高极片导电性和机械强度。过量导电剂：占据活性物质空间，降低极片能量密度，同时可能增加脆性。

分散性：导电剂均匀分布可有效缓冲应力，提高极片柔韧性。导电剂团聚会导致局部应力集中，降低极片柔韧性。

4. 粘结剂：极片各组分的“粘合剂”

粘结剂是极片的重要组成部分，其主要作用是粘结活性物质、导电剂和集流体，赋予极片一定的机械强度。粘结剂的种类、含量和分子量都会影响极片柔韧性。

种类：不同粘结剂的机械性能和粘结强度不同，例如PVDF粘结剂具有较高的机械强度，但柔韧性较差，容易在充放电过程中开裂；而SBR是高弹性模量粘结剂能够有效缓冲体积变化产生的应力，提高极片柔韧性。

含量：粘结剂含量过低会导致极片机械强度不足，容易开裂；含量过高则会降低极片中活性物质的比例，影响电池的能量密度。

分子量：高分子量粘结剂可以形成更牢固的粘结网络，提高极片的机械强度，但可能会降低极片的柔韧性。

5. 集流体：极片的“支撑骨架”

集流体是极片中电子传输的载体，其材质、厚度和表面处理都会影响极片柔韧性。

材质：如铜箔和铝箔，具有一定的延展性和柔韧性，能为极片提供基本的力学支撑，有助于提高极片的柔韧性。但如果集流体本身较厚或纯度不高，杂质较多，可能会降低其柔韧性，进而影响极片的柔韧性。

厚度：集流体厚度增加，极片的整体强度会提高，但柔韧性可能会下降。因为较厚的集流体在弯曲时需要更大的力，容易产生裂纹。

表面处理：对集流体表面进行粗糙化处理可以增加其与活性物质之间的接触面积，增加附着力，使两者结合更牢固，提高极片的柔韧性。但如果粗糙度太大，可能会导致活性物质分布不均匀，反而降低极片的柔韧性。

6. 极片柔韧性创新型检测方法

极片柔韧性是影响锂离子电池循环寿命和安全性能的关键因素之一。通过优化极片组分和制备工艺，可以开发出高柔韧性极片，从而提高电池的循环寿命和安全性能，推动锂离子电池技术的进一步发展。为精准评估极片柔韧性，元能科技开发了基于应力-应变曲线的检测设备（图3）。该方法通过固定极片并施加位移，实时测量形变过程中的应力与应变（压力-位移曲线），定量分析柔韧性。这一技术为优化极片组分与工艺提供了数据支撑，助力高柔韧性极片的研发。

图3. 元能科技-极片柔韧性测试系统

7. 小结

极片柔韧性是电池性能与安全的核心指标之一。通过协同优化活性物质、导电剂、粘结剂与集流体的选型及配比，并借助先进的检测手段，显著提升极片的综合性能，为下一代高能量密度、长寿命锂离子电池的开发奠定基础。

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