郑州电池检测机构：锂电池极片性能测试

　　锂电池极片(包括正极片和负极片)是电池的核心组成部分，其性能直接决定了电池的能量密度、功率密度、循环寿命和安全性。对极片进行系统性的性能测试，是电池研发、生产和质量控制的关键环节。

　　测试主要分为物理性能测试、电化学性能测试和理化特性分析三大类。

　　一、 物理性能测试 (Physical Properties)

　　这些测试评估极片的宏观结构和机械特性。

　　1. 面密度 (Areal Density)

　　定义：单位面积极片的总质量，通常以 mg/cm² 表示。它包含了活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。

　　测量方法：

　　用精密天平称量一定面积(如1 cm²)极片的重量。

　　面密度 = 质量 / 面积

　　意义：直接影响电池的能量密度。面密度越高，能量密度通常越大，但可能影响倍率性能和循环寿命。

　　2. 涂层厚度 (Coating Thickness)

　　测量方法：

　　接触式测厚仪：使用千分尺或测厚规，测量极片在压实前后的厚度。需注意避免压伤涂层。

　　非接触式测厚仪：如激光测厚仪、β射线测厚仪(在线检测常用)，精度更高。

　　意义：与面密度结合，可计算压实密度(见下文)。厚度均匀性影响电池性能一致性。

　　3. 压实密度 (Compaction Density)

　　定义：活性物质层被辊压后的密度，是评估电极结构紧凑程度的关键参数。

　　计算方法：

　　先测量活性物质面密度(总面密度减去集流体面密度)。

　　压实密度 = 活性物质面密度 / 涂层厚度

　　单位通常为 g/cm³。

　　意义：

　　过高：孔隙率过低，电解液浸润困难，锂离子扩散受阻，倍率性能差。

　　过低：电极过于疏松，能量密度低，且在循环中容易粉化脱落。

　　需根据材料体系(如石墨、硅碳、NCM、LFP)优化。

　　4. 孔隙率 (Porosity)

　　定义：涂层中孔隙所占的体积百分比。

　　计算方法：

　　孔隙率 (%) = [1 - (压实密度 / 真密度)] × 100%

　　真密度：通过氦气比重瓶法(He Pycnometer)测量干燥粉末的密度。

　　意义：孔隙是储存电解液和锂离子传输的通道。合适的孔隙率(通常30-50%)对电池性能至关重要。

　　5. 附着力/剥离强度 (Adhesion Strength)

　　测量方法：180°剥离测试。

　　用标准胶带粘贴在极片涂层表面。

　　用拉力机以180°角匀速剥离胶带。

　　记录剥离过程中的平均力。

　　剥离强度 = 剥离力 / 胶带宽度

　　意义：评估涂层与集流体(铝箔/铜箔)的结合力。附着力差会导致循环中掉粉，内阻增大，容量衰减。

　　6. 表面电阻 (Surface Resistivity)

　　测量方法：四探针法(Four-Point Probe)。

　　在极片表面放置四个等距的探针。

　　外侧两针通电流，内侧两针测电压。

　　可精确测量涂层的面电阻(Ω/sq)。

　　意义：反映极片的电子导电能力，与导电剂含量和分布有关。电阻过大会增加极化，影响倍率性能。

　　二、 电化学性能测试 (Electrochemical Properties)

　　这些测试通常在扣式电池(如CR2032)中进行，将待测极片作为工作电极，与对电极(锂片)、隔膜、电解液组装成半电池。

　　1. 首次充放电效率 (First Coulombic Efficiency, FCE)

　　定义：首次放电容量与首次充电容量的比值。

　　测量方法：

　　对半电池进行首次充放电循环(如0.1C)。

　　FCE (%) = (首次放电容量 / 首次充电容量) × 100%

　　意义：衡量在首次循环中形成SEI膜等不可逆过程消耗的锂量。FCE越高越好，特别是对负极材料(如硅基负极FCE较低)。

　　2. 比容量 (Specific Capacity)

　　定义：单位质量活性物质所能提供的容量，单位为 mAh/g。

　　测量方法：

　　在半电池中进行恒流充放电。

　　比容量 = (放电容量, mAh) / (活性物质质量, g)

　　意义：评估活性物质的本征电化学活性。

　　3. 倍率性能 (Rate Capability)

　　测量方法：

　　在不同充放电倍率(如0.1C, 0.5C, 1C, 2C...)下测试比容量。

　　绘制“比容量 vs. 倍率”曲线。

　　意义：评估极片在高功率下的性能。好的倍率性能意味着容量随电流增大而衰减得慢。

　　4. 循环性能 (Cycling Stability)

　　测量方法：

　　在固定倍率(如1C)下进行多次充放电循环。

　　记录每次循环的放电容量。

　　绘制“容量保持率 vs. 循环次数”曲线。

　　意义：评估极片在长期使用中的稳定性。容量衰减越慢，循环寿命越长。

　　5. 交流阻抗 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)

　　原理：在开路电位或特定SOC下，施加小振幅的交流信号，测量系统阻抗随频率的变化。

　　结果：得到Nyquist图，通过等效电路拟合可得到：

　　欧姆阻抗 (Rs)：电解液、集流体等电阻。

　　SEI膜阻抗 (RSEI)。

　　电荷转移阻抗 (Rct)：电极/电解液界面反应的难易程度，Rct越小，反应动力学越快。

　　意义：深入分析电极过程的动力学和界面特性。

　　三、 理化特性分析 (Physicochemical Analysis)

　　1. 扫描电子显微镜 (SEM)

　　用途：观察极片表面和截面的微观形貌，如活性物质颗粒大小、导电剂分布、涂层与集流体的界面、孔隙结构等。

　　2. X射线衍射 (XRD)

　　用途：分析活性物质的晶体结构、物相组成和结晶度。

　　3. X射线光电子能谱 (XPS)

　　用途：分析极片表面元素的化学价态，特别用于研究SEI膜的成分。

　　4. 比表面积与孔径分析 (BET)

　　用途：通过氮气吸附-脱附等温线，精确测量活性物质粉末的比表面积和孔径分布。

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