鋰電池極片性能測試方法

鋰離子電池極片的組成
１、活性物質顆粒；２、導電劑和黏結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。

鋰電池電子極片的常用方法
　實際附著力是將涂層從基材分離所需要施加的載荷。實際附著力可能會受到許多因素，如涂層厚度、基材的粗糙度、涂層的機械性能和基材的表面化學結果的影響。實際附著力的測定結果也可能受試驗方法的影響。通常采用的方法包括剝離試驗、彎曲試驗、劃痕試驗和壓痕試驗。

納米壓痕
   納米壓痕技術也稱深度敏感壓痕技術（Depth-SensingIndentation，DSI)，是簡單的測試材料力學性質的方法之一，可以在納米尺度上測量材料的各種力學性質，如載荷-位移曲線、彈性模量、硬度、斷裂韌性、應變硬化效應、粘彈性或蠕變行為等。

圖1是納米壓痕測試原理示意圖以及鋰離子電池負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是納米壓痕試驗中典型的載荷-位移曲線。在加載過程中試樣表面首先發生的是彈性變形，隨著載荷進一步提高，塑性變形開始出現并逐步變大；卸載過程主要是彈性變形恢復的過程，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是載荷時的位移，ε是與壓頭有關的儀器參數。由圖2可知，載荷從0逐漸增加到載荷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3是鋰離子電池（a）正極和（b）負極多次納米壓痕測試載荷-位曲線，以及（a）正極和（b）負極不同壓入深度測試對應的彈性模量。研究表明，涂層內部的微觀結構和內應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、內應力越大，導致測試的涂層的彈性模量就越大。當壓入深度很小時，特別是試樣表面粗糙時，就會產生明顯的表面效應。這主要是由表面粗糙度所引起的，主要表現為剛開始測試時數據不真實和分散。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）負極多次納米壓痕測試載荷-位移曲線，以及（a）正極和（b）負極不同壓入深度測試對應的彈性模量

拉伸測試

   拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。利用拉伸試驗得到的數據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、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其它拉伸性能指標。

　　鋰離子電池的負極、正極和鋁箔拉伸測試的應力-應變曲線，與金屬材料的典型應力-應變曲線類似，一般分為以下幾個階段：

１、彈性階段：應力應變基本上呈線性關系。卸載后還可以恢復到原來的長度。曲線在形變達到0.2%的點稱屈服點，對應的強度為屈服強度，此時可以計算出彈性模量E，即曲線的斜率。
２、屈服階段：應力基本保持不變，而應變有顯著增加。
３、強化階段：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點對應的應力峰值為抗拉強度。
４、局部變形階段：此時樣品會發生縮頸現象，直至斷裂。

圖4 鋰離子電池的（a，b）負極、（c）正極和（d）鋁箔拉伸測試應力-應變曲線

圖5 極片拉伸斷裂過程示意圖

圖6是鋰離子電池的（a）負極和（c）正極拉伸測試的應力-應變曲線，根據這些測試數據推斷鋰離子電池極片的本構關系，并將這些極片的擬合模型應用于鋰離子電池的模擬計算中，研究電池的機械性能。

圖6  鋰離子電池的（a）負極和（c）正極拉伸應力-應變曲線，以及極片本構關系的模型擬合壓縮測試

　　在金屬材料的力學性能測試中，拉伸試驗中定義的力學性能指標和相應的計算公式，在壓縮試驗中基本上都適用。但是，對試樣施加單軸壓縮載荷時，其應力狀態軟性系數明顯大于拉伸狀態，使得有些在拉伸試驗中顯示脆性斷裂的材料（如灰鑄鐵、陶瓷、非晶合金等），在壓縮試驗中有可能會顯示一定的塑性變形，或顯示較高的強度。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，同時測量其強度和塑性。

彎折測試
　　彎曲試驗時試樣表面應力較大，可以靈敏地反應材料表面缺陷，常用于研究表面強化工藝及表面性能。

剝離測試
    涂層剝離強度是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結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。若結合強度過小，輕則會引起涂層壽命降低，產生早期失效，重則造成涂層局部起皮、剝落無法使用。

劃痕測試
　　在進行劃痕試驗期間，由金剛石或其它硬質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。其結果是，劃針劃入涂層，到達涂層界面或穿過涂層到達基材界面。涂層和基材體系會產生內聚和附著失效。檢查直接從劃痕試驗以及劃痕后顯微分析獲得的數據可得到有關涂層本身和涂層–基材體系的有用信息。

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