關(guān)于鋰離子電池衰降機(jī)理的研究多是集中在正負(fù)極材料上，例如許多研究表明活性物質(zhì)損失、內(nèi)阻增加等因素是造成鋰離子電池衰降的主要因素，而對(duì)于粘結(jié)劑在鋰離子電池衰降過程中所起到的作用研究還比較少。而實(shí)際上，雖然粘結(jié)劑在鋰離子電池中的比例很?。ㄍǔＰ∮诨钚晕镔|(zhì)的5%），但是粘結(jié)劑卻起到了至關(guān)重要的作用。在鋰離子電池中，粘接劑的作用是將活性物質(zhì)顆粒、導(dǎo)電劑顆粒粘結(jié)在一起，形成一個(gè)穩(wěn)定的體系。但是在充放電的過程中由于正負(fù)極都存在一定的體積變化，會(huì)破壞這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，例如最常見的就是下圖所示的這種情形，粘接劑／導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)顆粒之間發(fā)生了分層的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致活性物質(zhì)的損失，引起鋰離子電池的可逆容量下降。

為了分析粘接劑在鋰離子電池衰降過程中所扮演的角色，英國(guó)樸次茅斯大學(xué)（來(lái)，大家跟我讀：“樸茨茅茨”，有沒有一種B-box的感覺）的J.M.Foster通過建立模型的方法，研究了活性物質(zhì)顆粒形狀、循環(huán)倍率對(duì)粘接劑粘結(jié)特性的影響，研究表明橢圓形的顆粒會(huì)顯著的增加粘接劑吸收電解液膨脹后在顆粒的上部和下部的應(yīng)變，大的充放電倍率（超過1C）也會(huì)顯著造成活性物質(zhì)顆粒左右兩側(cè)的粘結(jié)劑應(yīng)變?cè)黾樱绊戨姵氐难h(huán)性能。

J.M.Foster的模型主要包含三個(gè)假設(shè)：1）電極由球形活性物質(zhì)顆粒和彈性多孔粘接劑，粘接劑微孔中充滿電解液；2）活性物質(zhì)顆粒在嵌鋰和脫鋰的過程中會(huì)發(fā)生體積膨脹；3）粘接劑在接觸到電解液后會(huì)發(fā)生吸液膨脹。

根據(jù)上述假設(shè)，J.M.Foster采用數(shù)學(xué)方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行了建模（由于建模過程設(shè)計(jì)到了大量的機(jī)械知識(shí)，小編并不是機(jī)械專業(yè)的在這里也就不班門弄斧了，感興趣的朋友可以查看原文），我們直接來(lái)看模型得出的結(jié)果。

在實(shí)際的電極中有數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的活性物質(zhì)顆粒和大量的粘接劑組成，直接對(duì)整個(gè)電極進(jìn)行求解顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因此J.M.Foster采用了簡(jiǎn)化的辦法，J.M.Foster認(rèn)為除了電極邊緣的位置，電極內(nèi)部的受力情況是非常均勻的，因此我們可以將整個(gè)電極的求解過程簡(jiǎn)化為對(duì)單個(gè)活性物質(zhì)顆粒和它周圍的粘接劑進(jìn)行求解，從而使得模型的求解過程大大簡(jiǎn)化。

下圖a展示了粘結(jié)劑在吸收電解液膨脹后在活性物質(zhì)顆粒周圍的應(yīng)力分布情況，下圖c則展示了粘結(jié)劑在吸收電解液后活性物質(zhì)顆粒的P點(diǎn)和E點(diǎn)的粘接劑應(yīng)變的變化趨勢(shì)，從圖中我們能夠看到在粘接劑吸收溶液膨脹后會(huì)造成顆?？拷姌O表面和集流體的P點(diǎn)處的應(yīng)變?cè)黾?，而在顆粒左右兩側(cè)的E點(diǎn)處的應(yīng)變下降，由于粘結(jié)劑存在流動(dòng)性，因此在應(yīng)變的作用下會(huì)將粘結(jié)劑從活性物質(zhì)顆粒的頂部和底部推向活性物質(zhì)的兩側(cè)。

下圖b展示了活性物質(zhì)顆粒在體積變化過程中周圍粘接劑的應(yīng)變分布情況，從圖中能夠注意到由活性物質(zhì)體積變化造成的粘結(jié)劑應(yīng)力分布幾乎是均勻的，但是仔細(xì)研究仍然發(fā)現(xiàn)活性物質(zhì)左右兩側(cè)的粘結(jié)劑應(yīng)變還是要高于活性物質(zhì)上下兩端粘接劑所受到的應(yīng)變，這表明在循環(huán)過程中活性物質(zhì)顆粒左右兩側(cè)的粘結(jié)劑更容易發(fā)生分層的現(xiàn)象，但是實(shí)際上我們需要注意到由于正極活性物質(zhì)在循環(huán)過程中體積變化非常?。∟MC為2-4%），因此活性物質(zhì)顆粒體積膨脹造成的粘結(jié)劑應(yīng)變變化實(shí)際上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由于PVDF粘接劑吸液造成的體積膨脹。

前面的分析是針對(duì)球形顆粒的，而實(shí)際中我們采用的顆粒有許多其他形狀的，因此J.M.Foster又對(duì)不同顆粒形狀對(duì)粘接劑應(yīng)變產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。下圖展示了不同的顆粒形狀對(duì)于粘接劑吸液后的應(yīng)變分布的影響，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看橢圓形的顆粒在P點(diǎn)位置的粘結(jié)劑應(yīng)變是正值，而在E點(diǎn)處的粘結(jié)劑應(yīng)變則是負(fù)值，這與前面的分析相一致。同時(shí)從下圖中也能夠看出，橢圓形顆粒的排列方向也會(huì)對(duì)粘接劑應(yīng)變產(chǎn)生影響，當(dāng)橢圓形較長(zhǎng)的一邊與電極表面平行時(shí)，會(huì)顯著增加粘接劑應(yīng)變。

下圖展示了在不同的充電倍率下粘接劑的應(yīng)變（圖a為粘接劑在正極中的應(yīng)變，圖b為粘接劑在負(fù)極中的應(yīng)變），計(jì)算中采用的最慢充電速率需要3100h完成充電，而最快的充電速率僅僅需要0.031h完成充電，從圖中能夠看到高充電倍率會(huì)顯著增加在活性物質(zhì)顆粒E點(diǎn)的位置的粘接劑的應(yīng)變，造成粘接劑與活性物質(zhì)顆粒分層的問題?？偟膩?lái)說超過1C倍率的快速充電都會(huì)正、負(fù)極的粘接劑產(chǎn)生損害，從而影響鋰離子電池的壽命。

J.M.Foster的工作讓我們能夠從微觀層面對(duì)于粘接劑在活性物質(zhì)顆粒周圍的應(yīng)變分布有了清楚的認(rèn)識(shí)，并對(duì)影響粘接劑的應(yīng)變分布的因素——活性物質(zhì)顆粒形狀和充放電倍率，進(jìn)行了深入的探討，對(duì)于電極材料的設(shè)計(jì)和鋰離子電池配方設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。