背景

锂离子电池极片是一种由电极涂层和集流体箔材组成的三层结构复合材料，即颗粒组成的涂层均匀地涂敷在金属集流体两侧。极片的机械稳定性对电池有重要影响，机械稳定性差的极片可能出现的失效方式包括：涂层从集流体剥离、涂层开裂，活性颗粒脱落等，这些都会影响电池的容量和循环寿命。除了影响电池的性能外，极片机械稳定性在电池制造过程中也起着重要作用。极片在辊压和绕卷等电池制造过程中不可避免会受到外部应力，可能会导致活性物质（AM）颗粒脱落、电极膜从集流体上剥离等情况。特别是对于卷绕工艺，由于极片在卷曲过程中的曲率不同，这就对极片的柔韧性提出了要求，需要极片在卷绕时能够适应不同的曲率变化，以确保电池极片的结构完整性和性能的稳定性。柔韧性好的极片可以减少在卷绕过程中由于应力集中导致的材料损伤，从而提高电池的可靠性和寿命。

柔韧性的定义

在实际应用中，柔韧性通常是可弯曲性（弯曲一次而不断裂的能力）和可复原性（重复弯曲的能力）的综合体现。具有良好柔韧性的极片，能够在受到弯曲应力时不易断裂或产生严重破坏，同时在形变后，当外力撤除时极片能够恢复到接近其原始形状和原始应力状态。

表1.极片的可弯曲性和可复原性

如表1所示，极片的可弯曲性和可复原性都可以在一定程度上反映极片的柔韧性，但它们各自侧重点不同。可弯曲性的侧重点在于极片在单次或有限次弯曲过程中抵抗断裂或破坏的能力。它关注的是极片在极端弯曲条件下的结构完整性和强度表现。可复原性的侧重点在于极片在多次弯曲过程中发生形变后的恢复能力和长期稳定性。它关注的是极片在外力撤除后恢复原状的能力，且这种形变和恢复过程可以重复多次。

柔韧性的测试方案

极片柔韧性测试设备，是专为锂离子电池极片设计的测试设备，满足区分不同极片柔韧性的要求。该设备采用极片应力-应变曲线的基本测试方法，即将极片特定角度弯曲后固定在测试装置上，然后通过施加位移来使极片发生形变，测量极片在不同形变程度下的应力和应变（应力-位移）。不同的测试模式（图1），可用于极片可弯曲性和可复原性的测试和分析。

图1 不同测试方式

可弯曲性的测试案例

（1）两款不同的LFP极片

图2.两款LFP极片单次弯曲的压缩曲线及断裂点数值

两款不同的LFP正极极片，裁切成8*4 cm的矩形小极片，进行单次弯曲测试，当极片弯曲到一定的应力值时停止试验。根据压缩曲线（图2）可以看出，两款极片都有明显的突变点或拐点，说明极片弯曲的过程中发生了非均匀的形变，且发生应力衰减，对应极片的断裂行为。LFP-1的断裂点对应的压缩位移较小，说明极片在较小的形变下即达到断裂点。LFP-1的断裂点对应的应力较小，说明极片所能承受的最大应力较小。以上结果反映LFP-1极片更容易受到外部应力或内部应变的影响而发生断裂，其柔韧性相对较差。

（2）两款不同的硬碳负极极片

图3.两款硬碳极片单次弯曲的压缩-恢复曲线

两款不同的硬碳负极极片，裁切成8*4 cm的矩形小极片，进行单次弯曲的压缩-恢复的测试，当极片弯曲到一定的应力值时，以相同速率恢复到位移零点位置后停止测试。根据压缩-恢复曲线（图3）可以看出，负极B有一个小的突变点或拐点，说明发生明显的应力衰减过程。拐点的出现往往标志着极片从弹性阶段进入塑性阶段，因此也可以说明负极B的可弯曲性较差，对应柔韧性较差。

可弯曲性和可复原性之间的关系

极片的可弯曲性和可复原性并不一定都是优的，它们之间存在一定的平衡和折中关系。一款极片可能表现出优异的可复原性，即能够多次弯曲并恢复原状而不受显著损伤，但其可弯曲性（即在单次或有限次弯曲中的抗断裂能力）可能并不强。相反，另一款极片可能具有出色的可弯曲性，能够承受极端的弯曲而不易断裂，但其可复原性（即重复弯曲后的恢复能力）可能较差。

因此，在选择极片时，需要根据具体的应用场景和需求来权衡可弯曲性和可复原性这两个因素。如果应用场景需要极片能够频繁地弯曲并恢复原状，那么可复原性应该成为主要考虑因素；而如果应用场景对极片的单次或有限次弯曲性能有严格要求，那么可弯曲性则更为关键。同时，还需要考虑其他相关因素，如极片的导电性、稳定性、成本等，以综合评估其适用性。

可复原性测试案例

针对极片可复原性的定义和应用，选取两款采用不同活性材料的负极极片：负极1和负极2，将两款极片分别裁切成8*4 cm的矩形小极片，将极片长边弯曲到一定角度置于测试夹具内进行疲劳试验（如图4）；压缩-恢复循环10次，每次循环压缩到相同的应力截止并恢复到位移零点位；采用横向施力、压板匀速位移的模式，位移速率为0.5mm/s。

图4 测试模式示意图

6.1. 测试结果

（1）循环1次：第1次压缩-恢复

图5.负极1和负极2的第1次压缩-恢复曲线（左）及局部放大图（右）

如图5，极片负极1和负极2的第1次压缩-恢复曲线非常接近，且都没有发生明显的断裂行为，压缩-恢复曲线所包围成的面积也非常相近，说明两款极片的力学性能没有特别显著的差异。在压缩过程中，极片弯折处内侧材料被压缩变形。对比压缩段的前段曲线，我们可以发现负极1斜率比负极2略小。在应力应变曲线中，斜率通常与材料的弹性模量有关，它反映了材料抵抗弹性形变的能力，由此可见负极1的弹性模量更低。然而，弹性模量并不直接决定材料的柔韧性。柔韧性是一个更广泛的概念，如前面所述包括可弯曲性和可复原性，涉及材料在受到外力作用时发生形变并恢复原始形状的能力，以及材料在较大形变范围内承受外力而不发生断裂的能力，与弹性形变、塑性形变、断裂行为等都密切相关，反映了极片在承受变形时的适应性和韧性，是否能保持结构的完整性。进一步对比曲线的一些细节点可以发现：恢复段的曲线，恢复到初始应力值时（零值，初始应力做了归零）对应的位移值，负极1比负极2大。这意味着在恢复到初始的应力状态下，负极1需要更大的形变（位移）来支持，即负极1在去除外力后维持着较大的形变，这部分形变主要是极片发生屈服后的塑性变形，外力释放后无法恢复。恢复段的曲线，恢复到初始位移值时（零值，初始位移做了归零）对应的压力值，负极1比负极2小。这意味着在恢复到初始的位移状态下，负极2保持更大的、更接近初始状态的张力（应力）。以上说明，负极2似乎有更好的柔韧性表现。

（2）循环10次：第1-10次压缩及恢复

图6.负极1第1-5次、第10次压缩-恢复曲线

图7.负极2第1-5次、第10次压缩-恢复曲线

通过循环的压缩-恢复曲线来评估极片的可复原性是一种有效的方法。这种方法能够量化极片在反复压缩-恢复过程中的力学行为，从而揭示其柔韧性的强弱。如图6、图7，我们对两款极片进行了循环10次的压缩-恢复（第6-9次曲线未展示）。可以看出，两款极片在第1次循环后其实已经发生了疲劳损伤或性能退化，第2-10次循环保持相对稳定，曲线无明显差异或变化。如同上述的分析，我们对每次曲线恢复到初始应力值时对应的残余应变、恢复到初始位移值时对应的残余应力进行了分析。残余应变反映了极片在经历压缩后不能完全恢复到原始形状的形变程度。残余应变越小，说明极片的可复原性越好，即其恢复原始形状的能力越强。残余应力表示极片在经历恢复后仍然保持的应力状态。残余应力越接近初始应力值，说明极片在经历压缩变形后能够更有效地恢复到其原始状态，也说明极片的可复原性越好。

图8.负极1、负极2不同循环次数对应的的残余应变（左）和残余应力（右）

从图8可以看出，负极2压缩-恢复曲线，循环1-10次的残余应变整体较负极1小，其残余应力更接近初始应力值（零值）。疲劳试验更加直观、有力地说明，负极2有更好的弹性恢复能力和应力释放能力，因此其柔韧性更好。