鋰離子電池極片是一種由電極涂層和集流體箔材組成的三層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，即顆粒組成的涂層，均勻的涂敷在金屬集流體兩側(cè)，主要由四部分組成：(1)活性物質(zhì)顆粒；(2)導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑相互混合的組成相(碳膠相)；(3)孔隙，填滿電解液；（4）金屬箔材集流體。

極片的機(jī)械穩(wěn)定性對電池有重要影響，特別像硅基負(fù)極，在充電/放電周期內(nèi)插入和脫出鋰時，體積變化達(dá)到270%，循環(huán)壽命差。這個體積膨脹會導(dǎo)致硅顆粒的粉碎，以及涂層從銅集流體中分離。

用來確定活性物質(zhì)涂層預(yù)期使用壽命和性能的重要方法是檢查涂層結(jié)合強(qiáng)度，涂層失效情況的分析。涂層失效包括涂層從基材的剝離，這種剝離可能是因?yàn)闄C(jī)械或熱應(yīng)力、電化學(xué)應(yīng)力等原因引起。涂層材料的剝離可以表現(xiàn)為多種不同的方式：開裂、脫層、散裂、碎裂或塑性變形等。檢查涂層附著力和涂層失效分析需要采用可靠實(shí)用的方法來定量說明涂層-基材之間的附著強(qiáng)度和表征失效機(jī)理，是用于預(yù)防或制止附著失效的重要信息。理解這些知識有助于提高整體涂層的質(zhì)量和性能。

實(shí)際附著力是將涂層從基材分離所需要施加的載荷。實(shí)際附著力可能會受到許多因素，如涂層厚度、基材的粗糙度、涂層的機(jī)械性能和基材的表面化學(xué)結(jié)果的影響。實(shí)際附著力的測定結(jié)果也可能受試驗(yàn)方法的影響。最常用的方法包括剝離試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、劃痕試驗(yàn)和壓痕試驗(yàn)。

本文簡單匯總介紹鋰電池極片機(jī)械性能測試方法，由于個人水平有限，文中錯誤之處歡迎批評指正，也歡迎大家留言補(bǔ)充。

1、納米壓痕

納米壓痕技術(shù)也稱深度敏感壓痕技術(shù)（Depth-SensingIndentation，DSI)，是最簡單的測試材料力學(xué)性質(zhì)的方法之一，可以在納米尺度上測量材料的各種力學(xué)性質(zhì)，如載荷-位移曲線、彈性模量、硬度、斷裂韌性、應(yīng)變硬化效應(yīng)、粘彈性或蠕變行為等。以下視頻為納米壓痕基本原理介紹。

圖1（a）納米壓痕測試示意圖；（b，c）負(fù)極極片壓痕掃描照片

圖1是納米壓痕測試原理示意圖以及鋰離子電池負(fù)極極片壓痕的掃描照片，測試時，對壓頭施加載荷P，壓頭壓入樣品中，卸載后在樣品表面留下壓痕。圖2是納米壓痕試驗(yàn)中典型的載荷-位移曲線。在加載過程中試樣表面首先發(fā)生的是彈性變形，隨著載荷進(jìn)一步提高，塑性變形開始出現(xiàn)并逐步增大；卸載過程主要是彈性變形恢復(fù)的過程，而塑性變形最終使得樣品表面形成了壓痕。圖中hc是接觸深度，ht是最大載荷時的位移，ε是與壓頭有關(guān)的儀器參數(shù)。由圖2可知，載荷從0逐漸增加到最大載荷30mN，隨后載荷基本成直線下降，此時該直線的斜率即為該試樣的接觸剛度S。通過測量壓入載荷P、壓痕表面積A以及接觸剛度S就可以計算得到硬度H和彈性模量E。

圖2納米壓痕測試中典型的載荷-位移曲線

圖3是鋰離子電池（a）正極和（b）負(fù)極多次納米壓痕測試載荷-位移曲線，以及（a）正極和（b）負(fù)極不同壓入深度測試對應(yīng)的彈性模量。研究表明，涂層內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力是造成涂層厚度不同時涂層彈性模量變化的主要原因，制備涂層時，涂層越厚、致密度越高、內(nèi)應(yīng)力越大，導(dǎo)致測試的涂層的彈性模量就越大。當(dāng)壓入深度很小時，特別是試樣表面粗糙時，就會產(chǎn)生明顯的表面效應(yīng)。這主要是由表面粗糙度所引起的，主要表現(xiàn)為剛開始測試時數(shù)據(jù)不真實(shí)和分散。為盡可能地減少表面粗糙度所帶來的影響，建議壓入深度不小于某一直，以保證表面粗糙度引起的壓入深度的不確定度比較小。

圖3鋰離子電池（a）正極和（b）負(fù)極多次納米壓痕測試載荷-位移曲線，以及（a）正極和（b）負(fù)極不同壓入深度測試對應(yīng)的彈性模量

2、拉伸測試

拉伸試驗(yàn)是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗(yàn)方法。利用拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度和其它拉伸性能指標(biāo)。

圖4是應(yīng)用于鋰離子電池極片的拉伸測試樣品規(guī)格及簡易拉伸測試夾具。

圖4鋰離子電池極片拉伸測試樣品規(guī)格及簡易拉伸測試夾具

圖5是鋰離子電池的負(fù)極、正極和鋁箔拉伸測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與金屬材料的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似，一般分為以下幾個階段：

1）彈性階段：應(yīng)力應(yīng)變基本上呈線性關(guān)系。卸載后還可以恢復(fù)到原來的長度。曲線在形變達(dá)到0.2%的點(diǎn)稱屈服點(diǎn)，對應(yīng)的強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度，此時可以計算出彈性模量E，即曲線的斜率。

2）屈服階段：應(yīng)力基本保持不變，而應(yīng)變有顯著增加。

3）強(qiáng)化階段：這個階段是塑性硬化階段，電池極片沒有觀察到這個階段。在f點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力峰值為抗拉強(qiáng)度。

4）局部變形階段：此時樣品會發(fā)生縮頸現(xiàn)象，直至斷裂。

極片拉伸斷裂過程如圖6所示。

圖5鋰離子電池的（a，b）負(fù)極、（c）正極和（d）鋁箔拉伸測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6極片拉伸斷裂過程示意圖

圖7是鋰離子電池的（a）負(fù)極和（c）正極拉伸測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)這些測試數(shù)據(jù)推斷鋰離子電池極片的本構(gòu)關(guān)系，并將這些極片的擬合模型應(yīng)用于鋰離子電池的模擬計算中，研究電池的機(jī)械性能。

圖7鋰離子電池的（a）負(fù)極和（c）正極拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及極片本構(gòu)關(guān)系的模型擬合

3、壓縮測試

在金屬材料的力學(xué)性能測試中，拉伸試驗(yàn)中定義的力學(xué)性能指標(biāo)和相應(yīng)的計算公式，在壓縮試驗(yàn)中基本上都適用。但是，對試樣施加單軸壓縮載荷時，其應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)明顯大于拉伸狀態(tài)，使得有些在拉伸試驗(yàn)中顯示脆性斷裂的材料（如灰鑄鐵、陶瓷、非晶合金等），在壓縮試驗(yàn)中有可能會顯示一定的塑性變形，或顯示較高的強(qiáng)度。因此，在研究脆性材料的變形和斷裂行為時往往采用壓縮試驗(yàn)，同時測量其強(qiáng)度和塑性。

在研究鋰離子電池極片本構(gòu)關(guān)系模型時，為了更全面地認(rèn)識極片的力學(xué)性能，在對極片做拉伸的同時，也常常對極片做壓縮測試，圖8是鋰離子電池的（a）負(fù)極和（c）正極壓縮測試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及極片本構(gòu)關(guān)系的模型擬合。根據(jù)極片的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)構(gòu)筑極片的本構(gòu)模型，再將模型應(yīng)用于研究電池組裝工藝中的極片斷裂行為，實(shí)驗(yàn)和模擬對比結(jié)果如圖9所示。

圖8 鋰離子電池的（a）負(fù)極和（c）正極壓縮測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及極片本構(gòu)關(guān)系的模型擬合

圖9電池組裝工藝中極片斷裂行為的實(shí)驗(yàn)和模擬研究

4、彎折測試

彎曲試驗(yàn)時試樣表面應(yīng)力最大，可以靈敏地反應(yīng)材料表面缺陷，常用于研究表面強(qiáng)化工藝及表面性能。圖9給出了常見的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的加載及記錄的載荷撓度曲線示意圖，圖中虛線對應(yīng)的應(yīng)力值即為材料的抗彎強(qiáng)度（flexural strength or bend strength）。

圖10彎曲試驗(yàn)加載及記錄的載荷撓度曲線示意圖

5、剝離測試

涂層剝離強(qiáng)度是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結(jié)合面上剝落下來所需要的力。它是檢測涂層性能非常重要的一個指標(biāo)。若結(jié)合強(qiáng)度過小，輕則會引起涂層壽命降低，產(chǎn)生早期失效，重則造成涂層局部起皮、剝落無法使用。

涂層拉伸強(qiáng)度是涂層承受法向拉伸應(yīng)力的極限能力，這是評定涂層結(jié)合強(qiáng)度的最重要指標(biāo)。試驗(yàn)中利用試驗(yàn)工具或設(shè)備使試樣承受垂直于涂層表面的拉伸力，直至試樣被拉開，即涂層剝離，記下破壞時的載荷，以試樣的斷面積除載荷值，即可求出涂層的拉伸強(qiáng)度。

一般測試方法，將極片分條，壓敏3M-VHB雙面膠貼在電極表面，另一面貼在不銹鋼板上，將不銹鋼板和集流體固定在拉伸設(shè)備的兩個夾具上，然后以一定的速度拉伸樣品，進(jìn)行180度剝離測試，當(dāng)鋁集流體被完全剝離下來時檢測到的力就是剝離力，測試原理如圖11所示。

圖11涂層剝離強(qiáng)度測試示意圖

采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)、撕裂試驗(yàn)以及剪切與彎曲試驗(yàn)等。

6、劃痕測試

圖12劃痕試驗(yàn)儀的一般操作示意圖。在進(jìn)行劃痕試驗(yàn)期間，由金剛石或其它硬質(zhì)材料制成的劃針沿涂層表面線性劃線，同時施加恒定或者逐漸增加的載荷。其結(jié)果是，劃針劃入涂層，到達(dá)涂層界面或穿過涂層到達(dá)基材界面。涂層和基材體系會產(chǎn)生內(nèi)聚和附著失效。檢查直接從劃痕試驗(yàn)以及劃痕后顯微分析獲得的數(shù)據(jù)可得到有關(guān)涂層本身和涂層–基材體系的有用信息。

圖13是兩種不同工藝的硅基負(fù)極在不同載荷作用下劃痕掃描電鏡照片，通過研究劃痕測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以比較負(fù)極極片的機(jī)械穩(wěn)定性，推斷電池的循環(huán)壽命和性能。

圖12劃痕試驗(yàn)儀的一般操作示意圖。

圖13兩種不同工藝的硅基負(fù)極在不同載荷作用下劃痕掃描電鏡照片