鋰離子電池極片的典型組成是活性物質，導電劑，粘結劑和集流體?；钚晕镔|提供可逆的活性鋰，導電劑增加極片的電子電導率，粘結劑保證極片機械完整性，包括粉體顆粒之間以及集流體與涂層間的粘結。為了降低成本，提高電池能量密度，粘結劑含量應該盡可能低。理想的粘結劑應該具有超強的粘結性，同時不會溶解在電解液中，吸收電解液不發(fā)生溶漲，在寬溫和寬電化學窗口內(nèi)化學穩(wěn)定性好。

粘結劑還需要具有足夠的柔韌性和彈性以協(xié)調充放電過程極片的體積變化。否則，極片容易出現(xiàn)裂紋，粉體顆粒或涂層與集流體之間的接觸電阻增加，甚至極片出現(xiàn)斷裂失效。目前還沒有一種完美的粘結劑能夠滿足所有要求。

對于極片中粘結劑的特性，我們主要通過測量結合強度或者剝離強度，表征其粘結性能。為了研究粘結劑的彈性以及電池循環(huán)后彈性的變化，德國UniversityofMuenster的WendtC采用平面壓頭研究了不同階段極片的性能。

從疊片電池極片中裁切樣品，如圖1所示。為了排除樣品和樣品臺之間的氣泡的影響，使用涂抹器先在樣品臺上涂抹10微米厚的膠水，將樣品粘在樣品臺上后，按采用一定質量的重物壓著樣品5分鐘，然后干燥12小時。

圖1疊片電池極片樣品裁切示意圖

采用顯微硬度計測量極片的彈性，硬度計為平面壓頭，直徑50微米，面積較大，測試結果能夠大面積反應極片的彈性性質，極片左壓痕測試后，表明形貌如圖2所示。壓痕測試采用位移控制模式，最大壓痕深度為1μm，低于電極厚度的10%，排除了集流體和膠的影響。壓力加載速度為恒定速率0.5009mN/s，壓痕深度達到1μm后，以相同的速率卸載載荷，直到載荷為0.2mN。

圖2壓痕測試后極片表面SEM形貌

測試位置如圖3所示，每個樣品上測試約119個點，相互之間間隔1mm，以免結果產(chǎn)生相互影響，典型測試載荷-位移結果如圖所示，將載荷-位移曲線存在重疊或有平臺的結果排除(圖4左圖)，選擇100個測試點分析實驗結果(圖4右圖)。

圖3壓痕測試位置示意圖

圖4測試結果篩選

在壓痕測試中，壓頭對極片所做總功Wtotal，由兩部分組成，彈性應變所做的功Welast和塑形應變所做的功Wplast。他們滿足以下關系：

而總共可以通過對載荷-位移曲線積分求得：

定義ηit，彈性應變能與總功的比值：

ηit高說明極片彈性高，壓痕測試不像納米壓痕那樣可以計算楊氏模量，但是可以比較不同極片的彈性性能。

為了實驗結果可重復性，作者首先對原始NMC111正極極片測試了8個樣品，800多個點。彈性應變能比例為ηit=(65±3)%。循環(huán)后的電池極片拆解后進行壓痕測試，首先必須使用DMC清洗。因此，作者還研究了DMC清洗程序對測試結果的影響。

圖5清洗干燥程序對測試結果的影響

nPristine：原始極片;

nWashed：DMC清洗后，在手套箱干燥一晚;

nSoaked：DMC浸泡24h后，在手套箱干燥一晚;

nProcedure1：DMC清洗后，真空干燥30min;

nProcedure2：經(jīng)歷procedure1后，再80℃干燥箱內(nèi)24h。

粘結劑吸收DMC后會發(fā)生溶脹，從而改變機械性能。從圖5可知，Procedure2清洗干燥程序對測試結果影響最小。后續(xù)從電池中拆解的極片測試前都采用該清洗干燥程序。

圖6不同階段極片的彈性性能

nPristine：原始極片

nProcedure2：清洗干燥后

nsoakedwithelectrolyte：電解液浸泡

nafterformation：化成后

nafteraged：循環(huán)容量衰減到80%

電解液浸泡之后，彈性應變能比例變?yōu)?50±3)%，下降了10%，這主要是粘結劑吸收DMC后會發(fā)生溶脹導致的?；珊髽O片彈性應變能比例變?yōu)?41±3)%，又下降了10%。循環(huán)容量衰減到80%的電池極片彈性應變能比例變?yōu)?31±1)%。

化成和老化后的電池，由于結晶度降低，PVDF之間的粘結變成剛性或者粘結性減弱導致極片彈性應變能比例下降，極片微觀結構演變示意圖如圖7所示。

圖7極片微觀結構的變化示意圖