對于鋰離子電池而言“均勻”是最重要的，均勻不僅僅指的結(jié)構(gòu)上的均勻性，更加指的是溫度、電流等物理場的均勻性。結(jié)構(gòu)上的不均勻，特別是電極內(nèi)導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)的不均勻會導(dǎo)致電流分布的不均勻，進(jìn)而影響電極不同部分的SoC狀態(tài)，導(dǎo)致電池衰降速度的加快。電池內(nèi)部的溫度不均勻，也就是我們常說的溫度梯度，會導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度高的地方阻抗比較小，因此電流分布較多，這也就導(dǎo)致了電池內(nèi)部不同部分之間的衰降速度不同，因此如何提高均勻性是改善鋰離子電池性能的關(guān)鍵。

鋰離子電池的正極活性物質(zhì)通常導(dǎo)電性比較差，因此需要添加適量的導(dǎo)電劑提高電子導(dǎo)電性，而炭黑類導(dǎo)電劑是最為常用的導(dǎo)電劑，炭黑類導(dǎo)電劑的顆粒往往只有幾十納米，因此難以做到在電極內(nèi)部均勻的分散，這也會對鋰離子電池的性能產(chǎn)生顯著的影響。近日，德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的HenningDreger（第一作者，通訊作者）等人對炭黑導(dǎo)電劑分散性，以及后續(xù)的碾壓工藝對電池的性能影響進(jìn)行了深入的分析，研究表明炭黑顆粒的分散程度會對電極的阻抗和倍率性能產(chǎn)生顯著的影響，電極的碾壓也會對電極孔隙結(jié)構(gòu)和倍率性能產(chǎn)生明顯的影響。

雖然理論上炭黑導(dǎo)電劑應(yīng)該是由直徑數(shù)十納米的微小顆粒組成，但是實(shí)際上炭黑顆粒往往會團(tuán)聚成更大的顆粒或者葡萄串狀結(jié)構(gòu)，而炭黑導(dǎo)電劑的團(tuán)聚受到分散過程的影響很大，下圖為導(dǎo)電炭黑經(jīng)過不同分散速度分散后，炭黑導(dǎo)電劑的團(tuán)聚情況，從圖中我們能夠看到無論是正極（圖b）還是負(fù)極（圖a）都出現(xiàn)了炭黑導(dǎo)電劑團(tuán)聚的現(xiàn)象，團(tuán)聚的炭黑粒徑從0.1-10nm，但是負(fù)極炭黑團(tuán)聚更加嚴(yán)重一些，這主要是因?yàn)樨?fù)極漿料粘度比較小，因此分散時(shí)采用的剪切速度比較小，導(dǎo)致大顆粒的團(tuán)聚炭黑很難被打破。此外隨著分散時(shí)采用的剪切速度增加，炭黑導(dǎo)電劑團(tuán)聚的顆粒粒徑也會隨之降低。

炭黑的團(tuán)聚程度不僅僅會影響電極的導(dǎo)電性，還可能會對電極的剝離強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，下圖為不同的炭黑平均體積粒徑（表征炭黑的分散程度，粒徑越小代表分散程度越高）與電極的剝離強(qiáng)度之間的關(guān)系，從下圖中能夠看到電極的剝離強(qiáng)度與炭黑的分散程度之間呈現(xiàn)出微弱的相關(guān)性，隨著炭黑團(tuán)聚顆粒的減小，電極剝離強(qiáng)度有多上升，但是整體上炭黑分散程度與電極剝離強(qiáng)度之間的相關(guān)性不大。但是我們發(fā)現(xiàn)電極的壓實(shí)密度卻會對電極的剝離強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響，中等程度的碾壓會造成電極的剝離強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降，這主要是因?yàn)橹械瘸潭鹊哪雺簳斐呻姌O內(nèi)部顆粒之間的接觸點(diǎn)發(fā)生破壞，但是如果壓實(shí)密度的進(jìn)一步提高，活性物質(zhì)顆粒之間形成互鎖，剝離強(qiáng)度還會進(jìn)一步提高。

相比于對剝離強(qiáng)度的影響，炭黑導(dǎo)電劑的分散情況會對電極的阻抗產(chǎn)生更為直接的影響，從下圖a我們可以看到隨著炭黑分散程度的提高（團(tuán)聚粒徑降低）電極的阻抗出現(xiàn)了明顯的下降。從下圖b我們可以看到正極的電極阻抗要比負(fù)極高40倍，這主要是因?yàn)樨?fù)極石墨顆粒自身的導(dǎo)電性就比較好，而正極材料為NCM111自身導(dǎo)電性較差，因此炭黑在降低電阻上起的作用就更加顯著，從下圖b能夠看到在經(jīng)過碾壓后電極的電阻出現(xiàn)了顯著的降低，同時(shí)電極的電導(dǎo)率與炭黑導(dǎo)電劑的分散程度呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，在炭黑團(tuán)聚粒徑為0.9-2.75um之間時(shí)，隨著炭黑的分散程度的增加，極片電阻率明顯下降，但是如果繼續(xù)改善炭黑的分散程度（炭黑團(tuán)聚顆粒變小），電極的阻抗反而會增加，因此這也表明正極的炭黑導(dǎo)電劑分散有一個(gè)最佳的區(qū)間，并不是分散程度越高越好。

下圖為不同分散程度的炭黑對于電極孔隙結(jié)構(gòu)的影響，從下圖a中我們能夠看到隨著炭黑分散程度的提高，電極中大于10um的大孔出現(xiàn)了一定程度的降低，這主要是因?yàn)殡S著直徑較大的炭黑團(tuán)聚顆粒減少，使得不規(guī)則石墨顆粒之間少了支撐，因此較大的孔有一定程度的降低，而隨著較大粒徑的團(tuán)聚炭黑的減少主要會使團(tuán)聚炭黑顆粒內(nèi)部的小孔（直徑小于2um）明顯降低。碾壓對于電極的孔隙結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生顯著的影響，從下圖a和b中我們能夠看到電極經(jīng)過碾壓后，直徑大于1um的微孔出現(xiàn)了明顯的降低，這主要是電極內(nèi)部的活性物質(zhì)顆粒重排造成的，但是碾壓對于直徑小于1um的微孔的影響微乎其微。

分散和碾壓對電極結(jié)構(gòu)和電性能的影響

電極結(jié)構(gòu)的變化最終會對電池的性能產(chǎn)生影響，下圖為不同炭黑分散程度的正負(fù)極在不同倍率下充放電的可逆容量，從圖中能夠看到在較大的倍率（1C和2C）下，電極的結(jié)構(gòu)對于電池的放電性能會產(chǎn)生顯著的影響。炭黑分散程度較差的電極，由于炭黑團(tuán)聚顆粒較大，因此導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在電極內(nèi)部分散不均，從而導(dǎo)致了電極電流分布不均，影響了電池的倍率性能。從下圖中我們還注意到碾壓也會對正負(fù)極的倍率性能產(chǎn)生顯著的影響，對于負(fù)極而言，如果炭黑分散程度較差那么碾壓能夠提高電極的倍率性能，但是如果炭黑分散比較好，碾壓反而會導(dǎo)致電極的倍率性能下降，但是對于正極無論炭黑的分散程度如何，碾壓都會提升電極的倍率性能。

下圖為不同炭黑分散程度的電極在1C倍率下循環(huán)300次和500次后的容量保持率，對于負(fù)極而言碾壓后的電極無論炭黑的分散情況如何在經(jīng)過500次循環(huán)后電極的容量損失幾乎是相同的，但是對于正極而言，炭黑的分散情況則會顯著的影響電極的衰降速度，對于分散程度較好，炭黑團(tuán)聚顆粒直徑在1-1.5um的電極在循環(huán)中表現(xiàn)出了非常好的性能，容量衰降非常小，但是分散程度更好的兩個(gè)電極反而衰降程度較大，特別是分散程度最好的電極容量衰降非常大，炭黑分散不好的幾種電極在循環(huán)中也產(chǎn)生了非常大的容量衰降，這表明對于正極而言炭黑分散程度有一個(gè)最佳的范圍。

HenningDreger的工作表明，電極中炭黑的分散程度和碾壓過程都會對電極的結(jié)構(gòu)、電阻和電池的倍率性能，以及長期循環(huán)性能產(chǎn)生顯著的影響，由于負(fù)極自身導(dǎo)電性比較好，因此生產(chǎn)生中需要根據(jù)電極的特性確定合適的分散工藝和碾壓工藝，保證電池的性能最優(yōu)化。