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背景

極片曲折度作為量化極片內部離子傳輸路徑復雜程度的關鍵參數，通過表征鋰離子在孔隙網絡中的實際遷移路徑與理論直線距離的比值，直觀反映了離子傳輸的難易程度。研究表明，極片曲折度與電池的倍率性能和循環壽命存在直接關聯：較低的曲折度意味著更高效的離子傳輸路徑，能夠顯著提升電池的快充能力；而過高或不穩定的曲折度則會導致極化增大、容量衰減加速，嚴重影響電池的循環穩定性。在實際應用中，溫度作為重要的環境變量，會通過多重機制影響極片的微觀結構和傳輸特性：一方面，溫度變化會改變電解液的黏度和離子電導率，影響電解液在極片孔隙中的浸潤行為；另一方面，溫度波動會導致粘結劑高分子鏈段運動狀態改變，進而影響極片的孔隙結構和機械強度。

因此，深入理解溫度與極片曲折度的關聯機制，不僅有助于優化電極設計，更能為開發適應極端環境的高性能鋰電池提供理論指導，對推動新能源技術的發展具有重要的科學意義和工程價值。

一、測試條件&方法

1.1 測試設備

極片曲折度測試：采用元能科技自研的多通道離子電導率測試系統（EIC2400M-T，IEST）如圖1所示，該設備包含4個測試通道，可實現對每個通道進行獨立控溫，控溫范圍-20-80℃，可提供高純氬氛圍，實現多通道對稱電池的電化學阻抗譜測試。壓力范圍10~50Kg，頻率范圍100KHz~0.01Hz。

圖1. 多通道離子電導率測試系統

1.2 測試樣品

石墨負極片

1.3 測試流程

極片曲折度測試： 將樣品按照極片-隔膜-極片的順序放入治具中——>關閉設備倉門——>對各通道進行定量注液——>達到浸潤時間后，自動測試EIS——>最后通過軟件的擬合、計算得到極片的曲折度。

1.4 計算方法

麥克馬林數計算方法：

式中：τ 為曲折度； Rion為離子電阻；A為極片面積；ε為極片孔隙率；σ為電解液電導率；d為極片的厚度。由于極片孔隙率的測試方法較為復雜，通常用曲折度和孔隙率的比值，即麥克馬林數（Nm = τ / ε）來表征極片的曲折度，如式（2）所示。

利用電化學工作站測試對稱電池的阻抗，得到的EIS如圖2所示。將Nyquist圖中低頻線段延長，直至與X軸相交，該交點與高頻線段和X軸的交點的差值的3倍即為該極片涂層的離子阻抗Rion。將擬合得到的離子阻抗Rion代入公式（2）中計算可得到極片的麥克馬林數，進而分析極片的曲折度。

圖2. 對稱電池的電化學阻抗譜圖

二、結果分析

圖3. 不同溫度下（a）25℃；（b）45℃；（c）60℃；（d）80℃

的對稱電池電化學阻抗譜圖

表1. 極片在不同溫度下的離子電阻值和麥克馬林數

圖3為石墨負極在不同溫度下測得的EIS阻抗譜，對EIS圖譜進行擬合得到各極片的離子電阻，再將離子電阻值代入公式 (2) ，得到極片麥克馬林數，列于表1。從數據的趨勢可以看出，隨著溫度的升高，極片離子阻抗呈下降趨勢。

電解液的粘度是影響離子電導率的關鍵因素之一。根據Stokes-Einstein方程，離子的遷移速率與電解液的粘度成反比。因此，當溫度升高時，電解液的粘度降低，鋰離子的遷移速率加快，導致極片的離子阻抗降低。從圖4中的折線圖可以看出，隨著溫度從25°C升高到45°C，極片麥克馬林數從18.58降到13.5，下降率為27.34%，但60、80℃相對于45℃的下降率分別為-0.14%和1.7%，基本沒有太大的變化。

除了電解液粘度的變化，溫度也影響極片的微觀結構，當溫度升高時，電解液粘度降低，理論上離子電阻應明顯降低，但高溫同時會引發極片結構的嚴重劣化：一方面，粘結劑（如PVDF）在超過60℃后發生軟化，導致極片孔隙塌陷、孔徑縮小，孔隙率降低，延長了離子傳輸路徑；另一方面，熱膨脹差異造成涂層與集流體界面剝離，形成離子傳輸"死區"。這兩種結構損傷會導致離子電阻增加，從而抵消了因粘度下降帶來的傳輸改善，最終表現為60-80℃高溫區間離子電阻無明顯下降。這一競爭機制表明，單純依賴電解液優化無法突破高溫性能瓶頸，必須同步提升極片的熱穩定性。

圖4. 不同溫度下的麥克馬林數變化折線圖

三、總結

本文通過實驗測試了石墨負極在不同溫度下的離子電阻變化，發現溫度對極片離子阻抗有顯著影響。隨著溫度升高，極片離子阻抗呈下降趨勢，但當溫度過高時，極片結構發生明顯變化，導致即使電解液粘度降低，離子阻抗也不再顯著下降。這一現象表明，通過測試不同溫度下的極片曲折度變化，可以快速評估極片的高溫穩定性。

這一發現為電極材料研發提供了一些思路：一方面，可以通過溫度-阻抗關系研究確定極片浸潤工藝的最佳溫度窗口；另一方面，針對高溫應用場景，需要重點開發具有以下特性的新型材料體系：1）高溫穩定性更優的電解液配方；2）抗熱變形能力更強的極片工藝；3）耐高溫的粘結劑體系。這些研究方向將有助于提升鋰電池在寬溫域條件下的性能表現。科研工作者可以通過測試極片在不同溫度下的離子電阻變化，建立一種快速評估極片高溫穩定性的有效方法。

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