浅谈电池正极材料的压实密度

为了提高二次电池的能量密度，提高活性材料的压实密度、提高极片的压实密度、提高活性材料的比容量和放电均压是有效的改良策略。我们在进行粉体材料研究中通常会涉及到材料的密度，包含材料的真密度（True density）、松装密度（Loose density）、振实密度（Tap density）、压实密度（Compaction density）。材料真密度是指材料在绝对密实的状态下单位体积的固体物质的实际质量，指的是去除材料内部孔隙或者颗粒间的空隙后的密度，该参数是材料堆积的一个最理想状态。松装密度是指在规定条件下颗粒材料自然填充的单位容积的质量，是颗粒自然堆积的堆密度。其测定过程中要排除对颗粒堆积过程的扰动，包括颗粒重量本身下落的影响。振实密度是指在规定条件下粉体经振实后所测得的单位体积的质量。压实密度是什么呢？简单来说，它指的是活性物质在单位体积内的填充程度，通常以克每立方厘米（g/cm³）来表示。

极片压实密度是指在电池设计过程中，通过特定公式计算得到的密度。其公式为：压实密度=面密度/(极片碾压后的厚度—集流体厚度)，单位为g/cm³。压实密度直接影响电池的能量密度和整体性能，一般压实密度越大，电池的容量通常越高，因此提升正极材料的压实密度是提高电池性能的关键因素。

首先材料本身的性质以及制备工艺就已经决定了这种材料的压实密度高低，例如磷酸铁锂的压实密度就比三元的低很多，另外电池制造的工艺技术也对极片压实密度有很大影响；但正极材料的微观形态和碳包覆均匀程度也会影响材料的压实密度，微观形貌中的一次、二次颗粒粒度分布不同，碳含量与包覆均匀性的不同都会影响压实密度。以下我们进行详细讨论。

图2 压实密度影响因素示意图

1.1 微观形貌

 材料的表面光滑程度，材料的规整程度，这些都是影响材料压实密度的重要因素。然而，要想达到理想的形貌结构，一般需要不同的原料组合掺杂来进行调控。

1.2一次颗粒粒度分布

压实密度与材料的粒径有关，材料的粒径越小，堆积密度则越大，压实密度也越大。然而粒径越小比表面积就越大，匀浆就越难，一般都是通过二次造粒来提高粒径从而减小比表面积的。材料在堆积时，一次颗粒和一次颗粒之间就会存在空隙，会降低材料的堆积密度。所以压实密度不光和一次颗粒的大小、密度有关系，还和一次颗粒和二次颗粒的分配有关，压实密度大的材料一般都有很好的一次颗粒正态分布。

1.3二次颗粒粒度分布

喷雾干燥的正极材料一般为纳米级颗粒的二次团聚体，几百纳米的一次颗粒团聚成二次微球，且二次颗粒粒度一般较大，其本身存在很多空隙，如不进行一定程度的粉碎，其压实密度很难提高。

正极材料表面的碳涂层可有效限制晶粒长大，并提高导电性，从而提高了活性材料的利用率。然而，碳对材料的压实密度有不利影响，大量的碳会使活性材料的体积密度比重量密度下降得更严重。因此，确定最佳的碳含量是影响活性物质利用率和压实密度的重要因素。

2.1 碳含量

粒径变小时，需要大量的碳添加剂来连接所有活性材料，这导致活性材料负载量低。此外，有机碳源在高温碳化的过程中会产生缺陷较多的无定型碳结构，此时碳的密度极低。

碳包覆可以提高正极材料的导电性，从而提高电池的电化学性能。然而，碳的添加也会影响压实密度。适量的碳包覆可以提高材料的压实密度，但过多的碳会导致体积密度下降。研究表明，碳含量的增加会降低压实密度。研究表明当碳含量从3 wt%增加到9 wt%时，压实密度会显著下降。因此，确定最佳的碳含量是提高电池性能的关键。

2.2 包覆均匀性

碳包覆的均匀性也对压实密度有重要影响。不均匀的碳包覆可能导致压实密度降低，因此，通过优化工艺条件来实现均匀的碳包覆是提高压实密度的有效途径。为了通过碳源涂层使碳更均匀地分散在材料上，一般采用高聚合聚乙二醇（PEG1000~8000）作为碳源，以降低水的极性，并在微尺度上实现了光滑均匀的碳源涂层。如果碳在活性材料颗粒表面分布不均匀，就很难定义碳含量和碳层厚度的最佳量。

总体来说，压实密度是电池设计中的一个重要参数，找出最佳压实密度对电池设计很重要，它不仅影响电池的基本物理性能，还直接关系到电池的整体能量密度和使用寿命。通过优化压实密度，可以显著提升电池的各项性能指标，压实密度与比容量，效率，内阻，以及电池循环性能有密切的关系。压实密度不光和颗粒的大小、密度有关系，还和颗粒的级配有关系，压实密度大的一般都有很好的颗粒正态分布。

东阳瑞扬新能源有限公司是专注于钠离子电池正极材料研发、生产和销售于一体的绿色能源制造企业，公司将围绕国内顶尖、世界一流的企业目标，以奉献高端优质的钠电材料和高品质的服务为使命。公司现有产能2000吨/年，规划到2026年10万吨/年产能。目前公司开发的聚阴离子钠电正极材料NFPP压实密度已经达到2.1 g/cm3以上，处于行业领先地位。