前 言

在新能源政策推广的背景以及极致成本的追求下，电池单体大容量和高能量密度设计的趋势愈加明显。通常情况下，适当增加电芯内部活性物质的填充，提高电芯的群裕度设计能够提升电芯整体的空间利用率和能量密度。然而过高的群裕度容易导致电池使用过程中内部压力过大，影响电池的安全性和稳定性。电芯生产过程中，极片的反弹容易导致电芯实际的群裕度相对于设计值偏大，使得电芯使用过程中出现膨胀力偏大、电芯机械结构件耐受力不足的风险。如何快速且有效的评估极片设计因子当中主材、粘接剂种类和配比、厚度以及压实密度对极片反弹的影响至关重要。

本文以石墨材料在颗粒、粉料以及极片状态下的反弹特性分析为例，通过评估石墨颗粒的抗压特征、粉体压实以及极片厚度反弹性质之间的关联，以更好的辅助产品工程师在设计过程中通过对材料的弹塑性评估来提前考虑极片反弹对实际电芯群裕度的影响，缩减材料筛选周期、产品设计到实际生产之间的差距。

石墨材料在颗粒、粉体以及极片在受较大压力状态下一般表现为弹塑性，即颗粒在受力产生形变后，自然状态下延迟恢复形变且恢复不完全，可恢复部分为可逆形变即弹性或刚性，不可恢复部分为物质的不可逆形变即塑性。

图1. (a) 颗粒的压缩性实验示意图； (b）颗粒压缩试验过程中的力-位移曲线

颗粒的力-位移曲线的斜率是弹塑性刚度的衡量指标。通过对颗粒进行压缩，测试颗粒的受力和形变量之间的关系(图1 a), 能够得到颗粒压缩试验过程中的力-位移曲线(图1 b)。颗粒首次出现破裂前的曲线斜率较小则表明材料塑性更强，形变恢复力较弱；而斜率较大则表示材料的刚性或弹性越大，形变恢复能力较强。

测试设备与参数

1. 石墨颗粒的压溃曲线测试

1) 粉末分散到酒精中，滴加至载玻片，自然干燥；

2) 基于单颗粒力学性能测试系统SPFT1000 (图2)设备，用光学显微镜下定位载玻片上的单颗粒，控制压头以匀速下压，在颗粒压缩过程中采集力-位移曲线；

3) 测试设置：放大倍数最高1200倍；压力测试范围：0-500 mN，压力测试精度：±0.5 mN；位移最小单位：10 nm，数据采集频率100 Hz；

4) 数据分析。

图2. 单颗粒力学性能测试系统SPFT1000

2. 石墨粉末压实厚度反弹测试

1) 测试设备：采用粉末压实密度仪PCD1100 (图3)对1.00g石墨进行梯度加压，采集测试每个压力再次泄压后厚度反弹量；

2) 测试参数：施加压强范围30-260 MPa，加压间隔10 MPa，保压10s，卸压至3 MPa，保压10s；

3) 测试结果分析。

图3. 粉末压实密度仪PCD1100 (a) 外观图；(b) 结构图

3. 极片厚度反弹测试

1) 测试设备：采用极片自动测厚/反弹测试仪BT100 (图4) 设备对极片关辊压后的3.5h内的厚度变化进行测量；

2) 每30 min 进行厚度测试, 测试单点压力为0.005 Mpa；

3) 测试结果分析。

图4. 极片反弹测试仪BT100

数据与结论分析

本文选取人造石墨和天然石墨进行颗粒的强度(抗压力)曲线测试，每个样品选取粒径较为一致的5个颗粒进行测试。基于材料的颗粒压溃曲线特征进行分析，人造石墨 (图5a )相对天然石墨 (图5b) 在相同的位移下，整体受到的力较小，说明人造石墨整体的塑性较强，弹性系数较小。图5c表明颗粒初始压缩过程中，由于受到的是二者间的弹性接触变形，力整体较小，随着压缩位移的持续增加，颗粒表现出弹塑特性。天然石墨在相同的形变下受到的力比较大，说明天然石墨的弹性较大，在撤去压力的条件下，形变恢复能力较强；反之，人造石墨的塑性较强，形变恢复能力较弱。

进一步将两款石墨样品放到粉末压实密度仪PCD1100设备中，测试石墨粉料经过不同压实后，撤去压力的厚度反弹曲线(图6)。同样在较大压强下，人造石墨整体表现为反弹厚度较小，整体的弹性形变较小，结论与单颗粒层级测试的相对应。

图5.人造石墨 (a) 和天然石墨 (b) 颗粒的压溃位移-压力曲线以及二者弹性和；(c) 弹塑性曲线对比，以各自其中一个颗粒曲线展开标注：红色为人造石墨，黑色为天然石墨。

图6. 石墨粉末的压实厚度反弹

为进一步反应材料到极片层级的反弹特性，两款石墨以SBR:CMC:SP:石墨= 2.5：1.5：1.5：94.5的比例制成极片，辊压后测试极片在3.5h内的厚度变化。图 7结果同样表明人造石墨在辊压后整体的极片反弹量较小,说明该款人造石墨材料在极片的制造过程中，整体的可逆形变较小，辊压极片在自然状态下的反弹对电芯群裕度的设计偏差影响较小。

图7. 天然石墨与人造极片的厚度反弹曲线 

总 结

本文基于两款石墨材料的颗粒弹塑性、粉末以及极片厚度反弹特征进行测试分析。通过对比得到极片的反弹特性与颗粒以及粉末压实的反弹特性结果相一致，说明在极片设计过程中能够直接通过颗粒的弹性特质、粉末的压力反弹特征评估极片辊压后的反弹影响，进行材料导入的筛选，为电芯的设计与验证，提供了一种材料研发与电芯验证的验证维度，极大的缩短研发的时间和成本。

参考文献

1.Chemical Engineering Science 60 (2005) 4031--4044.Breakage behaviour of spherical granulates by compression.

2.Chinese Journal of Geotechnical Engineering.基于纳米压痕测试的颗粒材料弹性模量标定及应用.