對(duì)于鋰離子電池而言最重要的兩個(gè)指標(biāo)就是能量密度和功率密度，能量密度指的是鋰離子電池單位體積或者重量所存儲(chǔ)的能量多少，而功率密度則指的是單位重量或者體積能夠輸出的功率大小。在動(dòng)力電池上我們既希望鋰離子電池具有高的能量密度，讓我們具有更高的續(xù)航里程，同時(shí)我們也希望動(dòng)力電池具有更高的功率密度，滿足我們?cè)诩ち荫{駛時(shí)的動(dòng)力輸出。但是在鋰離子電池的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中這兩個(gè)指標(biāo)恰恰是相互矛盾的，一般而言為了提高能量密度我們需要提高電極的涂布量，提高活性物質(zhì)的比例，這就導(dǎo)致了功率性能的下降，而為了提升功率密度我們則需要降低涂布量，增加導(dǎo)電劑的比例，因此如何能在兩者之間達(dá)到一個(gè)平衡就變得非常困難。

近日，日本東京農(nóng)工大學(xué)的KazuakiKisu（第一作者）和EtsuroIwama（通訊作者）、KatsuhikoNaoi（通訊作者）分析了鋰離子電池生產(chǎn)中的重要指標(biāo)——壓實(shí)密度和電極厚度對(duì)鋰離子電池功率性能的影響，分析表明對(duì)于NCM材料而言，在電極厚度為70um，壓實(shí)密度為2.9g/cm3時(shí)能夠獲得最小的電極阻抗值，從而在保證較高的能量密度的同時(shí)，保證電池優(yōu)異的倍率性能。

試驗(yàn)中為了消除參比電極對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，KazuakiKisu采用了對(duì)稱式電池結(jié)構(gòu)（如上圖a所示），也就是正負(fù)兩個(gè)電極是同樣的電極，通過在兩個(gè)電極中間插入金屬Li電極的方式對(duì)兩個(gè)電極的SoC進(jìn)行調(diào)整，隨后金屬Li電極在干燥環(huán)境中被移除，然后對(duì)該電池進(jìn)行交流阻抗測(cè)試。

上圖b為0%SoC狀態(tài)下的EIS測(cè)試結(jié)果，其中我們能夠在高頻區(qū)看到一條斜率為45度的線，代表的為Li+在電極內(nèi)的擴(kuò)散阻抗，上圖c為Li+的擴(kuò)散阻抗與電極厚度之間的關(guān)系，從圖中能夠看到Li+的擴(kuò)散阻抗Rion與電極厚度之間呈現(xiàn)線性相關(guān)的關(guān)系。上圖d為50%SoC電極的EIS圖譜，其中高頻區(qū)的半圓代表電極的電荷交換阻抗RCT，從圖中我們能夠注意到電荷交換阻抗與電極的厚度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，也就是電極厚度越厚，則電荷交換阻抗越小。

壓實(shí)密度是鋰離子電池生產(chǎn)中的重要的參數(shù)，為了提升能量密度我們一般希望將壓實(shí)密度盡可能的提高，上圖展示了在控制厚度不變的情況下，2.7、2.9和3.4g／cm3的壓實(shí)密度下電極內(nèi)部微孔尺寸的變化，從圖中能夠看到隨著壓實(shí)密度的逐漸提高，電極內(nèi)部微孔的尺寸也在逐漸的降低。

KazuakiKisu對(duì)電極內(nèi)的微孔直徑與壓實(shí)密度之間的關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，得出了電極微孔半徑與壓實(shí)密度之間的關(guān)系，如下所示。

根據(jù)Rion與電極厚度和微孔數(shù)量之間的關(guān)系，我們可以進(jìn)一步的推導(dǎo)出Rion與電極壓實(shí)密度之間的關(guān)系，如下所示，從中能夠看到Rion與壓實(shí)密度之間并不是簡單的線性關(guān)系，而是當(dāng)壓實(shí)密度接近活性物質(zhì)的真密度時(shí)會(huì)導(dǎo)致Rion急劇增加。

下圖為不同壓實(shí)密度電極的EIS測(cè)試結(jié)果，從下圖b中能夠看到，在壓實(shí)密度達(dá)到3.0g／cm3之前，Rion與壓實(shí)密度之間的關(guān)聯(lián)性比較弱，隨著壓實(shí)密度的升高，Rion僅有輕微的增加，但是在壓實(shí)密度超過3.g/cm3后，Rion迅速增加，這與我們前面預(yù)測(cè)的相一致。從下圖c的電荷交換阻抗RCT來看，隨著壓實(shí)密度的增加電荷交換阻抗實(shí)際上是有一定程度上的降低，KazuakiKisu認(rèn)為這主要是因?yàn)樵诤穸炔蛔兊那闆r下較高壓實(shí)密度意味著單位面積上的涂布量的增加，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)與電解液的接觸面積增加，造成電荷交換阻抗RCT下降。

KazuakiKisu認(rèn)為鋰離子電池的壓實(shí)密度往往是造成鋰離子電池阻抗增加的重要因素，因?yàn)樵谳^低的壓實(shí)密度下往往會(huì)造成活性物質(zhì)顆粒之間、活性物質(zhì)和正極Al箔之間的接觸阻抗增加，下圖為根據(jù)EIS測(cè)試結(jié)果得到的不同壓實(shí)密度下電極的接觸阻抗與電極壓實(shí)密度之間的關(guān)系，從測(cè)試結(jié)果來看隨著壓實(shí)密度的逐漸提高，電極的接觸阻抗Rcon迅速降低。

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式，KazuakiKisu得到了電極的總阻抗與電極厚度和壓實(shí)密度之間的關(guān)系（如下圖所示），在下圖a中X軸為電極厚度，Y軸為電極壓實(shí)密度，圖中的顏色代表的為電極的總阻抗，藍(lán)色代表低阻抗，紅色代表高阻抗。從圖中我們能夠看到在電極厚度為70um，壓實(shí)密度為2.9g/cm3附近時(shí)我們能夠獲得最低的電極阻抗（包括Rion、RCT和Rcon），這一點(diǎn)我們也能夠從下圖b和c中看到，在壓實(shí)密度過高或者多低的時(shí)候都會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻和極化的增加。

KazuakiKisu工作讓我們對(duì)壓實(shí)密度和涂布厚度兩個(gè)重要的參數(shù)對(duì)電極總阻抗的影響有了深刻的認(rèn)識(shí)，特別是作者在論文最后得到的電極阻抗與壓實(shí)密度和涂布厚度之間的關(guān)系圖，對(duì)于鋰離子電池的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。