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1.背景

在鋰離子電池極片的生產過程中，尤其是在輥壓工序中，一定程度的顆粒破碎是難以完全避免的。當活性材料粉末與導電劑、粘結劑等混合形成的漿料涂覆在集流體上并干燥后，通過輥壓工藝提高極片的壓實密度時，由于受到較大的機械壓力，活性材料顆粒間以及顆粒自身可能會出現不同程度的破碎或破裂，引起不可逆形變，導致材料性能惡化。

圖1.顆粒抗壓性對粉末壓縮及電極電化學性能的影響

鋰電材料單顆粒的抗壓性，與材料粉末在壓縮過程中產生的不可逆形變之間存在緊密的聯系（圖1）。抗壓強度反映的是顆粒在受到外力作用時能夠抵抗破壞的能力，而粉末被的不可逆形變則是指在壓縮過程中粉末顆粒發生塑性變形或破碎，導致形狀改變且無法完全恢復到原始狀態。

首先，具有高抗壓強度的單顆粒材料在壓縮過程中更不容易發生破碎或塑性變形。這意味著，在相同的壓縮條件下，高抗壓強度的顆粒能夠更好地保持顆粒完整性，減少不可逆形變的發生，從而有助于保持電極結構的穩定性和一致性，提升電芯的性能。

其次，不可逆形變的發生與顆粒間的相互作用和接觸狀態密切相關。在粉末壓縮過程中，顆粒之間的接觸面積和相互作用力會發生變化，可能引起顆粒發生塑性變形或破碎。高抗壓強度的顆粒能夠更好地抵抗這種相互作用力，減少不可逆形變的發生。

此外，材料不可逆形變還可能影響電極的孔隙結構和離子傳輸性能。如果材料發生較大的不可逆形變，可能導致電極孔隙結構塌陷，降低離子傳輸效率，進而影響電芯的電化學性能。

綜上所述，單顆粒的抗壓性對粉末的不可逆形變的產生影響巨大。提高顆粒的抗壓強度可以減少不可逆形變，保持電極結構的穩定性和一致性，從而提高電芯的性能。因此，在鋰電池材料的設計和制備過程中，需要充分考慮單顆粒抗壓性和粉末不可逆形變的因果關系。

2.測試方法

本文選取不同類型的正極三元材料、負極純碳材料、負極硅碳材料，通過元能科技單顆粒力學性能測試系統和粉末壓實密度儀兩款測試設備進行表征，揭示鋰電材料單顆粒抗壓性和粉末被壓縮時不可逆形變之間的關系。

采用單顆粒力學性能測試系統（SPFT2000, IEST-元能科技）測試正負極材料單顆粒的抗壓性；采用粉末電阻率&壓實密度儀PRCD3100（IEST-元能科技）系列設備對粉末材料的壓縮性能進行評估，測試設備如圖2和圖3所示。測試參數為：壓強范圍10~200（或400）MPa，間隔10（或20）MPa，保壓10s。測試設備如圖2和圖3所示。

圖2.單顆粒力學性能測試系統SPFT外觀&功能模塊

圖3.PRCD系列外觀&結構示意圖

3.測試案例

1、三元材料B1和B2

兩款三元材料B1和B2由不同前驅體燒結而成，顆粒粒徑D50均為9.5μm。兩款材料的單顆粒力學性能結果如圖4(a)和4(b)所示。B1的平均壓潰力為4.4mN，B2的平均壓潰力為9mN，B2的壓潰力大于B1。從壓潰曲線上看，B1被壓潰后，應力下降到零點，而B2壓潰后的力下降到2mN。并且，B1顆粒被壓潰后，隨著壓頭的繼續下壓，力-位移曲線上存在多段的平臺。這說明B1顆粒可能存在較快的結構破碎，材料彈性比B2小；且壓頭下壓過程中顆粒在一次破碎后，部分破碎的顆粒可能進一步被二次壓碎。

通過逐步加壓保壓至最大壓強后再逐步卸壓到最小壓強的方式，得到兩款材料粉末的應力應變曲線，如圖4(c)和4(d)所示。從應力應變曲線的斜率上來看，B2的壓縮模量大于B1，說明其更難被壓縮。從數值上看，B1的最大形變量和不可逆形變量都大于B2，這和單顆粒壓潰力的差異相符。

圖4. (a) B1和(b) B2不同顆粒的單顆粒壓潰曲線；(c) B1和B2粉末的應力應變曲線；(d) B1和B2單顆粒壓潰數值分布和粉末壓縮不可逆形變量的對比

2、石墨材料C1和C2

兩款純碳材料C1和C2生產工藝上存在差異，顆粒的尺寸普遍在6~8μm之間。圖5為兩款材料的單顆粒測試壓潰力分布，可以看出，即便是同款純碳材料，不同顆粒的壓潰力也會存在一定的差異：C1為27~43mN，C2為4~15mN，但兩個樣品的壓潰力分布整體上存在較為顯著的差異。粉末的壓縮性能測試結果顯示（圖6），C1的壓縮模量大于C2，最大形變量和不可逆形變量都小于C2。這表明，如果材料其顆粒的抗壓性較弱，對應的粉末被壓縮時容易發生較大的形變，其中就包括不可逆形變。這種形變會導致材料的內部結構發生變化，進而影響其整體的力學性能和耐久性。

圖5.C1和C2不同顆粒的單顆粒壓潰力分布和單顆粒壓潰前后示意圖

圖6.C1和C2粉末的應力應變曲線圖和形變量數值

3、硅碳材料SC-1、SC-2和SC-3

圖7.SC-1、SC-2和SC-3不同顆粒的單顆粒壓潰力分布（a）和粉末壓縮應力應變曲線、形變量數值(b)

三款碳硅材料SC-1、CSC-2和SC-3的Si含量不同，結構上有略微差異。另外，三款材料微觀顆粒尺寸并非完全均勻。在單顆粒力學性能測試系統的光學顯微鏡下觀察，每款材料的大多數顆粒粒徑分別為10μm和15μm左右，且15μm的顆粒占比會比較大。我們對每款材料都分別挑選10μm和15μm的不同顆粒進行單顆粒力學性能測試，單顆粒壓潰力分布如圖7(a)所示。SC-2整體的壓潰力略大于SC-1，且二者遠大于SC-3；SC-1的壓潰力分布更集中，顆粒的均勻性更好，而SC-2中15μm尺寸的顆粒壓潰力差別較大，范圍從22.2~65.4mN。三款材料的粉末壓縮性能測試結果如圖7(b)所示。SC-3因其顆粒抗壓性較弱，在粉末被壓縮時的最大形變量和不可逆形變量都顯著大于其它兩款材料。SC-2顆粒的抗壓強度雖然整體略高于SC-1，但可能由于顆粒抗壓一致性的差異，在粉末壓縮過程中，抗壓強度高的顆粒受抗壓較弱顆粒的破裂和應力集中的影響，或者是抗壓的不均勻性影響了壓縮后的恢復能力等原因，使得SC-1和SC-2整體的壓縮性能、形變量差別不大。

4.小結

本文以鋰電單顆粒力學性能測試方法為主，結合粉末壓縮性能的測試，有效評估鋰電不同材料顆粒層級的抗壓性，揭示了單顆粒抗壓性和粉末被壓縮時產生的不可逆形變之間密切的因果聯系。這種因果聯系表明，通過提升單顆粒的抗壓強度，可以有效減少顆粒在輥壓工序或者電池循環過程中的破裂、破碎和不可逆形變的風險，提升電池的整體性能。