Эволюция характеристик электрода литий-ионного аккумулятора после пресса прокатки.

Почему необходима прокатка в процессе подготовки электрода литиевой батареи, какие изменения происходят после прокатки электрода, какие аспекты участвуют в этих изменениях и каковы различия между положительным и отрицательным электродом в процессе прокатки? На это даст ответ следующая небольшая заметка.

1. Изменение толщины

Наиболее очевидным изменением после прокатки является то, что толщина электрода становится тоньше, а толщина после прокатки зависит от размера зазора между валками и давления валков. Изменение толщины до и после прокатки выражается степенью уплотнения, которая представляет собой деформацию толщины электрода.

2. Изменение морфологии

Изменения морфологии электрода после прокатки также можно отразить с визуальной и тактильной точек зрения, но это не интуитивно понятно. Основные морфологические изменения электрода следующие:

1. Толщина электрода становится меньше;
2. Шероховатость поверхности уменьшается, а поверхность электрода становится более гладкой;
3. Контакт каждого компонента электрода становится более тесным, а размер поверхностных пустот уменьшается;
4. Адсорбированная жидкость все более  удерживается покрытием, а частицы прижимаются к поверхности фольги, образуя ямки.
5. Активные частицы разрушаются, а между вторичными частицами образуются видимые трещины (в основном из-за избыточного давления).

3. Изменение механических свойств

По мере увеличения степени прокатки электрода прочность на разрыв и модуль Юнга электрода увеличиваются. После прокатки контакт между нанесенным покрытием и подложкою (фольгою) становится выше, сила связи между ними увеличивается, а прочность подложки также повышается за счет уменьшения пустот и трещин. Увеличение модуля Юнга указывает на то, что упругопластичность электродной ленты ослабевает и она становится хрупкой. Хрупкость электрода не способствует последующей резке и намотке, в результате чего легко образуются концентрации напряжений и большое внутреннее давление, что приводит к снижению производительности электрода при циклическом использовании. Изменение механических свойств проявляется и в свойстве сцепления между покрытием и фольгою. Как правило, прочность на отслаивание покрытия и фольги значительно увеличивается после прессования.

4. Изменение электропроводности

Поскольку графитовый электрод (анод) сам по себе обладает хорошей электропроводностью, плотная укладка до и после прокатки мало влияет на его электропроводность. Однако проводимость большинства материалов положительных электродов плохая. Соответственно, проводимость положительного электрода улучшается после прокатки. Кроме того, состав электрода также является важным фактором, влияющим на проводимость электрода до и после прокатки. Когда содержание токопроводящей добавки велико, перед прокаткой формируется хорошая проводящая сетка, поэтому на нее меньше влияет процесс прокатки.

5. Изменение структуры пор

Из состава активной массы электрода видно, что электрод литий-ионного аккумулятора состоит из активного вещества, токопроводящей добавки, связующего и фольги. Обычно размер активных частиц составляет 1–10 мкм, а размер проводящих частиц — 10–100 нм. По мере прокатки происходит постепенное уменьшение размера больших пор  в сторону увеличения малых по размеру пор, и это изменение более очевидно на ранней стадии прокатки.

6. Смачиваемость электролита

Изменение пористой структуры электрода литий-ионного аккумулятора напрямую влияет на впитываемость и смачиваемость электролита. Уменьшение пористости и сужение пор приводят к увеличению извилистости пор электрода, увеличивается сопротивление проникновению электролита от сепаратора к электроду. С увеличением степени сжатия электродной ленты валками пресса прокатки количество адсорбированного электролита постепенно уменьшается. Когда пористость становится невысокой, электролит адсорбируется только в поверхностном слое, а поры для проникновения его внутрь блокируются, что затрудняет проникновение во весь объем электрода.

7. Изменения электрохимических характеристик

Влияние процесса прокатки на электрохимические характеристики электрода, по сути, представляет собой процесс компромисса и оптимизации ионной и электронной проводимости пористого электрода. С одной стороны, прокатка способствует увеличению контакту между частицами, улучшает проводящую сеть электрода и улучшает электронную проводимость электрода. С другой стороны, валковое сжатие значительно снижает пористость электродного листа, и электролит не может обеспечивать хороший контакт с активным веществом, что серьезно затрудняет процесс интеркаляции/деинтеркаляции лития при заряде и разряде и увеличивает степень поляризации электрода. Таким образом, с точки зрения применения аккумуляторная батарея для хранения энергии может позолить себе требовать увеличение плотности энергию и улучшение удельной емкости, в то время как силовая батарея должна серьезно контролировать структуру пор электрода и соответствующим образом снижать степень сжатия.