电动汽车长续航路程对动力电池提出了更高的能量密度要求，商场和基础设施状况一起又要求动力电池具有杰出的倍率特性，而这两者是彼此对立的。如安在较高的能量密度下完成电池杰出的倍率特性，这需要从微观上了解电池极片的机理，从下至上优化电池规划。
锂离子电池极片涂层可当作一种复合资料，首要由三部分组成：(1)活性物质颗粒(act);(2)导电剂和黏结剂彼此混合的组成相(碳胶相，sub);(3)孔隙，填满电解液。因而，关于电极片涂层，各相的体积联系由式(1)表明：
(1)
其间，ε为孔隙率，
为活物质体积分数，
为碳胶相体积分数。
而电池的倍率特性首要与极片中电子、离子的传导特性密切相关，微观的多孔电极理论中，锂离子、电子的有用电导率可由式(2)、式(3)核算：
(2)
(3)
其间，
锂离子的有用电导率;
电子的有用电导率;
电解液中锂离子的电导率;
ε 极片涂层中的孔隙率;
孔隙迂曲度，连同孔隙的曲线通道长度与微观进口-出口直线间隔比值的平方;
活物质体积分数;
活物质颗粒相的迂曲度;
电子在活物质材猜中的电导率;
碳胶相体积分数;
碳胶相的迂曲度;
电子在碳胶相中的电导率;
从公式(2)可见，在电极微观结构方面，锂离子的电导率首要与极片的孔隙率和孔隙迂曲度相关，孔隙率意味着电解液的体积分数。当添加孔隙率时，锂离子的电导率升高，可是电子的电导率下降，也会影响容量。而孔隙的迂曲度与活物质的描摹、极片制备工艺相关。特别关于高能量密度的厚电极极片规划，操控孔隙的迂曲度，进步离子和电子的电导率，这是非常重要的。在规范模型中，孔隙的迂曲度可依据孔隙率由式(4)进行核算。
(4)
其间，γ =1-β，为Bruggeman指数，理论和实验验证，其值为1.5，可是这并没有考虑实践的电极片微观结构。
日本京都大学Gen Inoue等人研讨了钴酸锂正极极片、石墨负极极片，选用FIB-SEM技能重构了极片的三维微观结构，依据实践的重构结构核算了锂离子和电子的有用电导率。核算值与实验成果比照确认了重构极片结构的有用性。最终，经过不同的粘结剂模型和颗粒形状模型模仿电极微观结构，依据这些比照，评论了多孔电极微观结构与锂离子电导率的联系。
2、实验和模仿
2.1、实践电极结构的重建
正极涂层：LCO: CB: PVdF = 92.6:4.6:2.8，面密度3.0 mAh/cm2，厚度77μm
负极涂层：C+SBR+CMC系统，面密度2.0 mAh/cm2，厚度40μm
选用FIB-SEM技能对电极涂层每500nm逐层切除获取160张截面相片，然后重构电极三维微观结构。重构结构像素分辩率为500nm，分辩率较高，一般XCT技能分辩率为1μm左右。粘结剂和导电剂颗粒很小，无法分辩，因而将他们当作一个混合相(碳胶相)。
图1 电极涂层微观结构重构图：(a)钴酸锂电极截面，(b)石墨电极截面，(c)钴酸锂重构三维结构，(d)石墨重构三维结构
图1为锂离子电池电极涂层的微观结构重构图，依据此重构图，核算极片涂层的孔隙率，别的运用He气测实践量涂层的孔隙率，其成果如下表所示。
差错产生的首要来历：重构结构分辩率为500nm，在此尺度之下的孔隙被疏忽，而He丈量的孔隙率包含了更小尺度的孔隙。本文以为小尺度的孔隙不是首要的离子传输通道，因而将其疏忽。
2.2、电子、离子的有用电导率核算
正极中，活性物质的电子导电率很小，疏忽不计。负极中，粘结剂相内导电资料份额很小，疏忽其电子导电率。因而，离子、电子的电导率可由式(5)、(6)、(7)核算。
2.3、正极涂层中离子有用电导率的实验丈量
极片制作成半电池，丈量沟通阻抗谱EIS，选用等效电路模型。然后经过实验数据核算出离子有用电导率。不考虑反响浓度散布和电子浓度散布，将极片制作成半电池，丈量半电池的沟通阻抗谱，如图2a和b所示，Rsol是与集流体和隔阂相关的电阻，沟通阻抗谱中，45°直线斜率是离子有用电导率电阻，因而，离子有用电导率和孔隙迂曲度由式(8)核算：
(8)
其间，L为极片涂层的厚度，S为电极的面积。
2.4、正极涂层中电子有用电导率的实验丈量
首要制备一系列不同导电剂含量的电极片，极片在必定的压力下选用四探针法直接丈量电阻(图2c)，将丈量的成果作导电剂含量-电阻联系图，经过曲线反推至导电剂含量为0时的电阻值Rcont，则电子电导率可由式(9)核算：
(9)
当导电剂含量大于0.4时，电极电子电阻趋于常数值，本文中电子的电阻选用此常数值。
2.5、实验成果和模仿成果的比照
图2e是离子、电子有用电导率的实验值和依据重建结构的核算值的比照，别的给出了布拉格曼模型的理论核算值。实验值和核算值挨近验证了模型的有用性，而理论值比实验值和模仿值都要高，往往过高估计电池倍率特性。
图2 离子、电子有用电导率实验测验办法
(a)(b)半电池沟通阻抗谱实验丈量离子有用电导率;(c)(d)在压力下直接丈量电子有用电导率;(e)依据重构结构离子、电子有用电导率核算值与实验测验值比照
3、数值模型结构的评价
3.1、正极中碳胶相对离子有用电导率的影响
图3a是依据实践重构体的调整结构。依据实践的三维重构结构，经过改动碳胶相和孔隙界面体素尺度，对微观结构进行调整，并与实践结构比照，了解正极中碳胶相对锂离子电导率的影响。对每一种结构核算了孔隙和碳胶相的迂曲度，以及依据公式(5)核算离子的有用电导率。
图3b是数值模仿生成的微观结构，模仿生成时，假定活物质颗粒是球形的，尺度满意图3b中的粒径散布曲线，活物质彻底没有聚会，随机设置方位，直到体积分数到达设定值0.55(此值与实践结构附近)，活物质结构在后面几种结构模型中坚持不变。而碳胶相也是依据体积分数生成的，构成以下四种结构：
结构A 均匀涂层结构：碳胶相没有聚会，在活物质颗粒外表构成均匀厚度的涂层。
结构B 随机拼装结构：碳胶相与活物质没有太强的亲和性，产生聚会，团簇随机散布在前面生成的活物质结构孔洞中，团簇尺度由孔隙尺度确认。
结构C 亲水性的结合结构：碳胶相与活物质亲水性结合，接触角小于90°
结构D 疏水性的结合结构：碳胶相与活物质疏水性结合，接触角大于90°
图3 (a)依据重建结构的正极调整结构，(b)数值模仿生成的结构
