锂电池单微观力量：锂电材料的单颗粒压缩特性|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

微观力量：锂电材料的单颗粒压缩特性

一、背景

元能科技的单颗粒力学性能测试系统SPFT（Single Particle Force Properties Tester）是专为锂电材料设计的测试设备，用于评估锂电正负极材料单颗粒的力学性能，如压溃力、压溃强度等。该系统通过高精度的位移控制和压力测量，采集压头加载到单个颗粒上的应力-应变曲线，并从曲线的突变点分析颗粒压溃力。测试过程中，操作人员可以借助光学显微镜观察颗粒在整个压缩过程中的形态变化。

SPFT设备一经推出，迅速在锂电材料研究和开发领域引起了广泛关注。众多企业和科研机构纷纷表达了浓厚的兴趣，积极咨询设备详情和市场情况。其中，短短4个月时间内，已有70+家单位送测380+样品，通过SPFT进行专业的单颗粒力学性能测试。

基于SPFT大量的样品测试，我们收集了不同类型锂电材料单颗粒的压缩数据，结合文献上的相关讨论，汇总整理了一套锂电材料单颗粒压缩的曲线模型。这一模型不仅能描述了单颗粒在压缩过程中的应力应变关系，还反映了单颗粒的形变机制、破碎行为等信息。

二、单颗粒压缩的曲线模型

图1.(a) SPFT设备；(b) 控制位移的测试模式；(c) 光学系统底视图

SPFT提供多种测试模式，测试人员可以根据样品类型或者不同测试需求选择相应的测试模式。通常，我们采用控制位移测试应力的测试模式（图1b），即压头以恒定的位移速率对颗粒下压，测试颗粒被压缩过程中应力的变化。位移速率通常设置为1μm/s，位移稳定性保持在±0.01μm以内。当压头下压至位移行程上限或所设置的压力上限，仪器自动停止测试并保存数据。

尤其要说明的是，SPFT采用底部光学系统成像的方式，测试软件中可同步记录颗粒被压缩、变形、压溃的整个画面（图1c）。观察颗粒的变化情况，可以为单颗粒压缩的应力应变曲线分析提供有力的信息和指导。这也是本文建立单颗粒压缩曲线模型的核心依据。

图A/B/C/D描述了锂电材料颗粒在持续受压过程中的行为和特性的描述，后文将对每个图进行逐一说明和分析。

图A-D.锂电材料单颗粒压缩曲线分析

三、单颗粒压缩曲线模型的分析

图A 代表了理想颗粒的受压曲线：颗粒在被压缩初期发生弹塑性形变，颗粒表现出一定的弹性行为。当颗粒被压缩到破碎时，我们称此时达到颗粒的压溃点，此时对应的应力值我们称为颗粒的压溃力，表示颗粒在该应力值情况下被压溃或者失效。此后，由于颗粒破碎释放了大部分的内应力，应力值迅速下降，直至压头将颗粒和载玻片压贴合。此时，相当于压头压到载玻片（基底），后端曲线又以一定规律上升。图a是我们测试的某款三元材料不同颗粒的单颗粒压缩曲线，和图1的行为和特性较为接近。

图A、图a. 某款三元材料不同颗粒的单颗粒压缩曲线

图B反映了一些大的三元或者二次造粒石墨等颗粒的特性。在压缩曲线的后端出现多段平台，这些平台可以对应于颗粒的二次破碎或滑动。如大的三元颗粒在一次破碎后，随着压头持续下压，已经碎掉的颗粒（结构还相对完整），可能发生二次或者多次破碎的情况。因此，颗粒的破碎可能不是一次性的，而是分阶段发生的，每一阶段的破坏都会在曲线上留下一个平台。图b是我们测试的某款三元材料不同颗粒的单颗粒压缩曲线，和图B的行为和特性较为接近。

图B、图b.某款三元材料大颗粒的单颗粒压缩曲线

另外，图B中标注的从零点到压溃点的形状、压缩位移可以提供材料脆性的特征。相同压溃力情形下，曲线越陡峭，表明材料从弹性到破坏的过渡越快；压缩位移越短，表明材料较为脆性，因为它不能承受较大的变形即发生破碎。从零点开始加载到压溃点所吸收的能量，可以通过对曲线积分计算面积求得。它反映了颗粒在压溃前所经历的总能量输入，即颗粒的破碎功/压溃功。同样的，如果材料的破碎功较小，可以表明材料较为脆性。

图C反映了一些负极颗粒压缩曲线中表现出的多级小台阶（或称为“波纹”、“锯齿”状变化），类似特定微小范围内，位移增大而应力维持不变的情况。这些情况出现在颗粒被压缩的初期，通过光学显微镜观察颗粒并未破碎或产生较大形变，而与颗粒破碎前结构的不连续性有关。颗粒的结构不连续性是指颗粒材料中存在的位错、缺陷、微裂纹、孔洞、不均匀性或不同相界面等特征。这些细小的特征会反映在压缩曲线上，产生小台阶。大压强压过的粉末，还有经历过长循环的极片刮下来的粉末颗粒在做压缩测试时，往往同样会出现这个情况，且台阶可能更多、更大、更长。这些台阶状的变化为分析颗粒材料的破坏机制和内部结构提供了重要信息，有助于理解材料的失效模式和提高其力学性能。

图C、图c.某款三元材料粉末不同压强压实后的单颗粒压缩曲线

图c是我们对同一款正极三元材料粉末在不同压强压实后，取压后的粉末测试的单颗粒压缩曲线。需要说明的是，我们所测试颗粒的都是结构完整、未发生破碎，在光学显微镜下无明显差异的颗粒（尺寸在18μm左右）。对比100MPa/300MPa压后的样品的单颗粒压缩曲线，大压强压过的粉末颗粒表现了如上图B、C中的现象，主要有以下几点：

（1）弹性模量降低：大压强导致颗粒内部结构的致密化或产生微裂纹，降低了颗粒的弹性模量，这在应力-应变曲线的初期阶段就表现出来了。

（2）压溃力降低：大压强可能引入微裂纹或其它形式的损伤，这些损伤会降低材料的强度和稳定性，导致颗粒在较低的应力水平下发生破碎。

（3）压缩曲线的台阶/平台：颗粒内部的缺陷在压缩过程中扩展或形成新的裂纹，导致压缩曲线出现台阶/平台，且颗粒的破碎过程更没有规律。

图D则是呈现在特定颗粒中因为存在表面结构差异或不均匀性，而对应更复杂的压缩曲线。既有前端曲线的弯曲或大台阶，又有后端曲线的弯曲或平台。同时，从压溃点到压到基底的这一段曲线也非线性衰减。其力学行为可能相对复杂，通常表明材料的应力-应变关系并非简单的线性关系，同款材料不同颗粒之间也可能存在较大差异。图d是我们测试的某两款硅碳材料粉末的单颗粒压缩曲线，和图d的行为和特性较为接近。

图D、图d.某两款硅碳材料粉末的单颗粒压缩曲线

四、总结

通过对锂电材料单颗粒压缩特性的分析，可以深入了解锂电材料颗粒在受到外力作用时的力学响应，包括颗粒的压溃力、脆性特征、内部微结构等等信息。这些信息对锂电材料的开发、微观尺度的仿真模拟、电池性能的优化都具有重要意义。元能科技将继续深化对单颗粒压缩的研究，欢迎大家继续关注SPFT，SPFT将持续助力锂电的研发工作!