⼀、极⽚设计基础篇
锂电池电极是⼀种颗粒组成的涂层，均匀的涂敷在⾦属集流体上。锂离⼦电池极⽚涂层可看成⼀种复合材料，主要由三部分组成： (1)活性物质颗粒；
(2)导电剂和黏结剂相互混合的组成相(碳胶相)；
(3)孔隙，填满电解液。
各相的体积关系表⽰为：
孔隙率 + 活物质体积分数 + 碳胶相体积分数=1
锂电池极⽚的设计是⾮常重要的，现针对锂电池极⽚设计基础知识进⾏简单介绍。
电极材料理论容量，即假定材料中锂离⼦全部参与电化学反应所能够提供的容量，其值通过下式计算：
例如，LiFePO4摩尔质量157.756 g/mol，其理论容量为：
这计算值只是理论的克容量，为保证材料结构可逆，实际锂离⼦脱嵌系数⼩于1，实际的材料的克容量为：
材料实际克容量=锂离⼦脱嵌系数 × 理论容量
电池设计容量可以通过下式计算：
极⽚涂层⾯积
电池设计容量=涂层⾯密度×活物质⽐例×活物质克容量×极⽚涂层⾯积
其中，涂层的⾯密度是⼀个关键的设计参数，压实密度不变时，涂层⾯密度增加意味着极⽚厚度增加，电⼦传输距离增⼤，电⼦电阻增加，但是增加程度有限。厚极⽚中，锂离⼦在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的主要原因，考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同，离⼦在孔隙内的迁移距离⽐极⽚厚度多出很多倍。
(3)负极-正极容量⽐N/P
负极容量与正极容量的⽐值定义为：
N/P要⼤于1.0，⼀般1.04~1.20，这主要是处于安全设计，防⽌负极侧锂离⼦⽆接受源⽽析出，设计时要考虑⼯序能⼒，如涂布偏差。但是，N/P过⼤时，电池不可逆容量损失，导致电池容量偏低，电池能量密度也会降低。
⽽对于钛酸锂负极，采⽤正极过量设计，电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的⾼温性能：⾼温⽓体主要来源于负极，在正极过量设计时，负极电位较低，更易于在钛酸锂表⾯形成SEI膜。
(4)涂层的压实密度及孔隙率
在⽣产过程中，电池极⽚的涂层压实密度通过下式计算，
⽽考虑到极⽚辊压时，⾦属箔材存在延展，辊压后涂层的⾯密度通过下式计算。
前⾯提到，涂层由活物质相、碳胶相和孔隙组成，孔隙率可由下式计算。
其中，涂层的平均密度为：
锂电池电极是⼀种粉体颗粒组成的涂层，由于粉体颗粒表⾯粗糙，形状不规则，在堆积时，颗粒与颗粒间必有孔隙，⽽且有些颗粒本⾝⼜有裂缝和孔隙，所以粉体的体积包括粉体⾃⾝的体积、粉体颗粒间的孔隙隙和颗粒内部的孔隙，因此，相应的有多种电极涂层密度及孔隙率的表⽰法。
分为真密度、颗粒密度、堆积密度三种。各种密度定义如粉体颗粒的密度是指单位体积粉体的质量。根据粉体所指的体积不同，分为真密度、颗粒密度、堆积密度三种。
下：
a. 真密度指粉体质量除以不包括颗粒内外空隙的体积(真实体积)，求得的密度。即排除所有的空隙占有的体积后，求得的物质本⾝的密度。
b. 颗粒密度指粉体质量除以包括开⼝细孔与封闭细孔在内的颗粒体积，求得的密度。即排除颗粒之间的空隙，但不排除颗粒内部本⾝的细⼩孔隙，求得的颗粒本⾝的密度。
c. 堆积密度，即涂层密度，指粉体质量除以该粉体所组成涂层的体积，求得的密度。其所⽤的体积包括颗粒本⾝的孔隙以及颗粒之间空隙在内的总体积。
对于同⼀种粉体，真密度>颗粒密度>堆积密度。
粉体的孔隙率是粉体颗粒涂层中孔隙所占的⽐率，即粉体颗粒间空隙和颗粒本⾝孔隙所占体积与涂层总体积之⽐，常⽤百分率表⽰。粉体的孔隙率是与粒⼦形态、表⾯状态、粒⼦⼤⼩及粒度分布等因素有关的⼀种综合性质，其孔隙率的⼤⼩直接影响着电解液的浸润和锂离⼦传输。⼀般来说，孔隙率越⼤，电解液浸润容易，锂离⼦传输较快。所以在锂电池设计中，有时要测定孔隙率，常⽤压汞法、⽓体吸附法等进⾏测定。也可通过密度计算求得。当采⽤不同的密度进⾏计算时，孔隙率含义也不同。
当活物质、导电剂、粘结剂的密度都采⽤真密度计算孔隙率时，所计算的孔隙率包括颗粒之间的空隙、颗粒内部空隙。当活物质、导电剂、粘结剂的密度都采⽤颗粒密度计算孔隙率时，所计算的孔隙率包括颗粒之间的空隙、⽽不包括颗粒内部空隙。因此，锂电池极⽚的孔隙尺⼨也是多尺度的，⼀般地颗粒之间的空隙在微⽶级尺⼨，⽽颗粒内部空隙在纳⽶到亚微⽶级。
在多孔电极中，有效扩散率、传导率等输运物性的关系可⽤下式表⽰：
其中，D0表⽰材料本⾝固有扩散(传导)率，ε为相应相的体积分数，τ为相应物相的迂曲率。在宏观均质模型中，⼀般采⽤Bruggeman关系式，取系数ɑ=1.5来估计多孔电极的有效物性。
电解液填充在多孔电极的孔隙中，锂离⼦在孔隙内通过电解液传导，锂离⼦的传导特性与孔隙率密切相关。孔隙率越⼤，相当于电解液相体积分数越⾼，锂离⼦有效电导率越⼤。⽽正极极⽚中，电⼦通过碳胶相传输，碳胶相的体积分数，碳胶相的迂曲度⼜直接决定电⼦有效电导率。
孔隙率和碳胶相的体积分数是相互⽭盾的，孔隙率⼤必然导致碳胶相体积分数降低，因此，锂离⼦和电⼦的有效传导特性也是相互⽭盾的，如图2所⽰。随着孔隙率降低，锂离⼦有效电导率降低，⽽电⼦有效电导率升⾼。电极设计中，如何平衡两者也很关键。
图 2 孔隙率与锂离⼦和电⼦电导率关系⽰意图
⼆、极⽚缺陷种类及检测
⽬前，在电池极⽚制备过程中，越来越多的在线检测技术被采⽤，从⽽有效识别产品的制造缺陷，剔除不良品，并及时反馈给⽣产线，⾃动或者⼈⼯对⽣产过程做出调整，降低不良率。
极⽚制造中常⽤的在线检测技术包括浆料特性检测、极⽚质量检测、尺⼨检测等⽅⾯，⽐如：（1）在线粘度计直接安装在涂布极⽚制造中常⽤的在线检测技术包括浆料特性检测、极⽚质量检测、尺⼨检测等⽅⾯，
储料罐内实时检测浆料的流变特性，检测浆料的稳定性；（2）采⽤X射线或β射线在涂布⼯艺中直接测量获得涂层的⾯密度，其测量精度⾼，但辐射⼤、设备价格⾼且维护⿇烦；（3）激光在线测厚技术应⽤于测量极⽚的厚度，测量精度可达±1. 0µm，还能实时显⽰测量厚度及厚度变化趋势，便于数据追溯和分析；（4）采⽤CCD视觉技术检测极⽚的表⾯缺陷，即采⽤线阵CCD 扫描被测物，图像实时处理及分析缺陷类别，实现对极⽚表⾯缺陷的⽆损在线检测。
在线检测技术作为质量控制的⼯具，理解缺陷与电池性能之间的相关性也是必不可少的，这样才能确定半成品合格/不合格标准。
后⾯部分对锂离⼦电池极⽚表⾯缺陷的检测技术新⽅法-红外热成像技术以及这些不同缺陷与电化学性能之间的关系简单介绍。参考D. Mohanty等对此进⾏的深⼊研究。
（1）极⽚表⾯常见缺陷
图3是锂离⼦电池极⽚表⾯常见的缺陷，左边是光学图像，右边是热成像仪捕捉的图像。
图 3 极⽚表⾯常见缺陷：（a、b）凸起包/团聚体；（c、d）掉料/针孔；（e、f）⾦属异物；（g、h）不均匀涂层团聚体，如果浆料搅拌不均匀或涂布供料速度不稳定时就会产⽣此类缺陷。粘合剂和碳⿊导电剂的团聚体会导致（a、b）凸起包/团聚体，
活性成分含量低，极⽚重量轻。
针孔，这些缺陷区域没有涂层，通常是由浆料中的⽓泡产⽣的。它们减少了活性物质的量，并使集流体暴露在电解液（c、d）掉料/针孔，
中，从⽽降低了电化学容量。
）⾦属异物，浆料或者设备、环境中引⼊的⾦属异物，⾦属异物对锂电池的危害巨⼤。尺⼨较⼤的⾦属颗粒直接刺穿隔膜，（e、f）⾦属异物，
导致正负极之间短路，这是物理短路。另外，当⾦属异物混⼊正极后，充电之后正极电位升⾼，⾦属发⽣溶解，通过电解液扩散，然后再在负极表⾯析出，最终刺穿隔膜，形成短路，这是化学溶解短路。电池⼯⼚现场最常见的⾦属异物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、SUS等。
）不均匀涂层，如浆料搅拌不充分，颗粒细度较⼤时容易出现条纹，导致涂层不均匀，这会影响电池容量的⼀致性，甚⾄出（g、h）不均匀涂层，
现完全没有涂层的条纹，对容量和安全性均有影响。
（2）极⽚表⾯缺陷检测技术
热成像技术被⽤来检测⼲燥极⽚上的微⼩缺陷，这些缺陷可能会损坏锂离⼦电池的性能。在线检测时，如果电极缺红外线(IR)热成像技术被⽤来检测⼲燥极⽚上的微⼩缺陷，这些缺陷可能会损坏锂离⼦电池的性能。
陷或污染物被检测到，在极⽚上做好标记，在后续的⼯序中将其剔除，并且反馈给⽣产线，及时调整⼯艺以消除缺陷。红外线是⼀种电磁波，具有与⽆线电波和可见光⼀样的本质。利⽤某种特殊的电⼦装置将物体表⾯的温度分布转换成⼈眼可见的图像，并以不同颜⾊显⽰物体表⾯温度分布的技术称之为红外热成像技术，这种电⼦装置称为红外热像仪。所有⾼于绝对零度（-273℃）的物体都会发出红外辐射。
如图4所⽰，红外热像仪（IR Camera）利⽤红外探测器和光学成像物镜接受被测⽬标物体的红外辐射能量分布图形并反映到红外探测器的光敏元件上，从⽽获得红外热像图，这种热像图与物体表⾯的热分布场相对应。当物体表⾯存在缺陷时，该区域会出现温度的偏移，因此，这种技术也可以⽤于探测物体表⾯的缺陷，特别适合于⼀些光学探测⼿段⽆法分辨的缺陷。在锂离⼦电池⼲燥极⽚在线检测时，⾸先极⽚经过闪光灯照射，表⾯温度发⽣变化，随后⽤热成像仪探测表⾯温度。热分布图像可视化，并实时对图像进⾏处理和分析，探测到表⾯缺陷及时做好标记。D. Mohanty的研究将热成像仪安装在了涂布机⼲
燥烘箱的出⼝处，探测极⽚表⾯的温度分布图像。
图 4 热成像仪探测极⽚表⾯出现⽰意图
图5（a）是热成像仪探测到的NMC正极极⽚涂层表⾯的温度分布图，其中包含了⼀个⾮常细⼩的缺陷，⾁眼⽆法分辨。途中线段对应的温度分布曲线如内插图所⽰，在缺陷点出现温度尖峰。图5（b）图像对应的⽅框内出现温度局部升⾼的情况，对应极⽚表⾯的缺陷。图6是负极极⽚表⾯温度分布图显⽰了缺陷的存在，其中温度升⾼的峰对应⽓泡或者团聚体，温度降低区域对应针孔或者掉料。
图 5 正极极⽚表⾯热成像温度分布图
图 6 负极极⽚表⾯热成像温度分布图
由此可见，热成像探测温度分布是很好的极⽚表⾯缺陷探测的⼿段，能够⽤于极⽚制造的质量控制。
三、极⽚表⾯缺陷对电池性能的影响
（1）对电池倍率容量和库伦效率的影响
图7是团聚体和针孔对电池倍率容量和库伦效率的影响曲线，团聚体居然能够提⾼电池容量，但是会降低库伦效率。针孔降低电池容量和库伦效率，⽽且⾼倍率下库伦效率下降幅度⼤。
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