极片电阻测试方法对比-四探针Vs两探针
发布于 2022-05-19 09:51
锂离子电池电阻是衡量电池性能的重要的指标之一， 锂离子电池电阻的大小直接影响锂离子电池的容量、循环寿命及安全性能，影响锂离子电池电阻的因素有电极材料、配方、电解液、涂布匀浆工艺、极片电阻等 ，其中极片电阻反映了电极材料性能及配方的优劣 。通过极片电阻测试结果，一方面可用于匀浆涂布工艺及配方的改进，实现对材料体系的快速评价，另一方面能及时筛选分类并剔除电阻值较大的极片，不使之流入单体制造的工序，提升终端产品质量。本文通过四探针和两探针法测试极片电阻，探究两种测试方法对极片电阻测试结果的差异性。两种测试方法原理图如下：
图1.（a）两探针法原理图 图1.（b）四探针法原理图
其中两探针法测试时，端子置于样品两端，通过输入交流电压信号，采集样品两端的电流，从而得到样品电阻，通过换算关系得到样品电阻率；四探针法测试时四根探针置于样品表面，通过输入直流信号，采集探针间的电压信号，通过换算关系得到样品电阻率。
1、 实验设备与测试方法
极片电阻仪，型号BER2500（IEST元能科技），电极直径14mm，可施加压强5~60MPa，设备外观如图2所示。
图2.（a）BER2500外观图
图2.（b）BER2500结构图
在MRMS软件上设置测试压强、保压时间等参数，开始测试，软件自动读取极片厚度、电阻、电阻率、电导率等数据。
选取正极极片cathode-1、cathode-2，负极极片anode-1、anode-2，纯膜样品，铝箔和铜箔，分别用两探针和四探针法测试极片电阻。
2、 实验数据分析
✦ 2.1 带箔材极片电阻测试分析
正极极片电阻测试时，从图3(a)中可以看出，对于小电阻极片cathode-1，四探针法测试的极片电阻率（2.1^10-6Ω*cm）与纯铝箔电阻率（2.884^10-5Ω*cm）相差约10倍，但对于阻值较大的极片cathode-2而言，四探针测试的极片电阻率为1.3316Ω*cm，远大于纯铝箔电阻率。图3（b）中，极片cathode-1两探针法测试的极片电阻率（1444.94Ω*cm）远大于铝箔电阻率（0.370026Ω*cm），同理对于大电阻极片cathode-2而言，两探针法测得电阻率也远大于铝箔电阻率；从图4(a)和(b)中可以看出，四探针和两探针测试负极极片电阻率时，同样也是对于小电阻极片，四探针法无法区分涂层的影响，只有电阻大的样品才能区分，而两探针可明显测出不同涂层与箔材的电阻差异。
图3.（a）四探针法正极极片电阻测试
图3.（b）两探针法正极极片电阻测试
图4.（a）四探针法负极极片电阻测试
图4.（b）两探针法负极极片电阻测试
✦ 2.2 无箔材纯膜电阻测试分析
对干法涂布的无箔材纯膜样品进行两种方法电阻测试，从图5可以看出：四探针法测试单层膜的电阻率（0.27Ω*cm）与双层膜测试的电阻率（0.26Ω*cm）几乎一样，且远大于纯铝箔电阻率（2.884^10-5Ω*cm）或者纯铜箔（1.832^10-5Ω*cm），两探针法测试单层膜的电阻率（1.27Ω*cm）与双层膜测试的电阻率（1.23Ω*cm）也几乎一样，但两探针的电阻率会大于四探针法。
图5. 四探针&两探针法纯膜电阻测试
✦ 2.3 机理分析
两种测试方法等效电路图如图6所示，图a代表的是两探针法测试极片电阻的电路图，从图中可看出电流电压是施加在样品垂直两端，得到的是极片R接触电阻、R涂层、R集流体的总电阻，再经过体电阻计算公式得到极片电阻率和电导率；图b是四探针法测试极片电阻的电路示意图，施加的电流是在样品表面，所以电流走向可分为路径1、2、3，当极片电阻较小时，电子大部分从路径2通过，极少部分通过路径1和3，测得的极片电阻与箔材电阻较近，当极片电阻较大时，电子往路径1通过的概率有所增大，此时测试的电阻值也增大，且用四探针法测试极片电阻时，由于测出绝对值较小，甚至到了μΩ级别，对仪表精度、量程及系统的压力控制稳定性要求也高，因此难以得到稳定的数据。综上所述，表征极片这种复合层级的电阻时，选两探针法比较合适。
图6.（a）两探针法电路示意图
图6.（b）四探针法电路示意图
3、 实验总结
本文对比四探针和两探针法极片电阻的差异，结果可知，测试带箔材的极片样品时，四探针法测试的电阻值远小于两探针法，且有时测出的电阻会几乎接近箔材的电阻，无法区分涂层的影响，另外由于四探针测出的数值很小，对仪表精度、量程及系统的压力控制稳定性要求也高，因此难以得到稳定的数据，只有测试不带箔材的涂覆层时，电阻数值才在欧姆级别。而两探针法测试得到的是极片的穿透总电阻，可显著区分涂层的差异，适合测试锂电以及超级电容器所有类型的极片。
参 考 文 献
1. Hiroki Kondo et al. Influence of the Active Material on the Electronic Conductivity of the Positive Electrode in Lithium-Ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 2019,166 (8) A1285-A1290
2. B.G. Westphal et al. Influence of high intensive dry mixing and calendering on relative electrode resistivity determined via an advanced two point approach. Journal of Energy Storage 2017, 11, 76–85
3. Nils Mainusch et al. New Contact Probe and Method to Measure Electrical Resistances in Battery Electrodes Energy Technol. 2016, 4, 1550-1557
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