活性物质与集流体之间的接触阻抗对倍率性能的影响

近年来随着新能源汽车的快速发展，动力电池产能逐渐超越了传统的3C类锂离子电池产品，在带来更大的市场需求的同时，新的应用方向也对锂离子电池的性能提出新的要求，例如新能源汽车、特别是插电式混合动力汽车对动力电池的倍率放电能力都提出了更高的要求。

影响锂离子电池倍率性能的因素主要是极化，极化会导致锂离子电池的工作状态偏离稳态，表现在实际中就是随着极化的增大电池的电压平台下降（放电时），放电容量降低。通常而言，我们认为引起锂离子电池极化的因素主要有：1）欧姆极化，也就是电池内部活性物质颗粒之间、活性物质与集流体之间接触电子阻抗，随着电流增大由这些因素导致的电压衰降明显增加；2）浓差极化，锂离子电池正负极都为多孔结构电极，电极内部的复杂多孔结构会造成Li+扩散速度较慢，产生浓度梯度，此外Li+在固相中的扩散速度较慢也容易成为限制环节。我们今天主要介绍如何减少活性物质与集流体之间的接触阻抗，提升锂离子电池倍率性能。

目前锂离子电池的生产工艺基本上都脱胎于索尼公司1992年推出首款商用锂离子电池时所采用的工艺，正负极活性物质浆料通过涂布设备转移到由金属箔制成的集流体上（正极一般采用Al箔，负极一般采用Cu箔），碾压、分切后通过卷绕或者叠片等工艺制成不同形状的锂离子电池。电化学反应中正极活性物质颗粒内部的电子需要经过颗粒之间的传输后汇流到集流体上，然后通过外部电路传导到负极，完成一个完整的电化学反应。因此活性物质与集流体之间的电子传导成为了电化学反应中的重要一环，近日日本早稻田大学的HirokiNara（第一作者，通讯作者）和TetsuyaOsaka（通讯作者）等人通过EIS手段分析了压实密度和Al箔表面导电涂层对活性物质与集流体之间的接触电阻之间的影响，研究表明适当的压实密度和涂炭Al箔会显著的提升LCO电极的倍率性能。

实验中HirokiNara采用LCO作为正极材料，石墨作为负极材料，LCO分别通过调整压力和棍缝使其厚度分别下降0%、10%、20%和30%（计算表明电极孔隙率分别为49%、42%、37%和27%），然后电极经过冲切后制成软包电池，用于进行电化学测试。

下图为HirokiNara设计的软包电池的等效电路（其中图b为图a的TLM，表示在电极厚度方向上的并联电路），其中ZL为感抗，RS为电解液的离子扩散阻抗，Ril为活性物质与集流体之间的接触阻抗，以及与之并联的电容Cdl，电荷交换阻抗Rct和与之并联的电容Cct，电极内的Li+扩散阻抗Ri，扩散阻抗Cdiff，通过采用MATLAB软件进行拟合，HirokiNara得出的拟合结果误差小于1%，能够真实的反应锂离子电池内部的反应机理。