關(guān)于鋰離子電池衰降機理的研究多是集中在正負極材料上，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。而實際上，雖然粘結(jié)劑在鋰離子電池中的比例很小（通常小于活性物質(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，形成一個穩(wěn)定的體系。但是在充放電的過程中由于正負極都存在一定的體積變化，會破壞這種穩(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，英國樸次茅斯大學(xué)（來，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)倍率對粘接劑粘結(jié)特性的影響，研究表明橢圓形的顆粒會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）也會顯著造成活性物質(zhì)顆粒左右兩側(cè)的粘結(jié)劑應(yīng)變增加，影響電池的循環(huán)性能。

J.M.Foster的模型主要包含三個假設(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發(fā)生體積膨脹；3）粘接劑在接觸到電解液后會發(fā)生吸液膨脹。

根據(jù)上述假設(shè)，J.M.Foster采用數(shù)學(xué)方法對電機進行了建模（由于建模過程設(shè)計到了大量的機械知識，小編并不是機械專業(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），我們直接來看模型得出的結(jié)果。

在實際的電極中有數(shù)以千萬計的活性物質(zhì)顆粒和大量的粘接劑組成，直接對整個電極進行求解顯然是不現(xiàn)實的，因此J.M.Foster采用了簡化的辦法，J.M.Foster認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電極的求解過程簡化為對單個活性物質(zhì)顆粒和它周圍的粘接劑進行求解，從而使得模型的求解過程大大簡化。

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點和E點的粘接劑應(yīng)變的變化趨勢，從圖中我們能夠看到在粘接劑吸收溶液膨脹后會造成顆粒靠近電極表面和集流體的P點處的應(yīng)變增加，而在顆粒左右兩側(cè)的E點處的應(yīng)變下降，由于粘結(jié)劑存在流動性，因此在應(yīng)變的作用下會將粘結(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小（NMC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)變變化實際上要遠遠小于由于PVDF粘接劑吸液造成的體積膨脹。

前面的分析是針對球形顆粒的，而實際中我們采用的顆粒有許多其他形狀的，因此J.M.Foster又對不同顆粒形狀對粘接劑應(yīng)變產(chǎn)生的影響進行了分析。下圖展示了不同的顆粒形狀對于粘接劑吸液后的應(yīng)變分布的影響，從計算結(jié)果來看橢圓形的顆粒在P點位置的粘結(jié)劑應(yīng)變是正值，而在E點處的粘結(jié)劑應(yīng)變則是負值，這與前面的分析相一致。同時從下圖中也能夠看出，橢圓形顆粒的排列方向也會對粘接劑應(yīng)變產(chǎn)生影響，當橢圓形較長的一邊與電極表面平行時，會顯著增加粘接劑應(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為粘接劑在負極中的應(yīng)變），計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顯著增加在活性物質(zhì)顆粒E點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。總的來說超過1C倍率的快速充電都會正、負極的粘接劑產(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識，并對影響粘接劑的應(yīng)變分布的因素——活性物質(zhì)顆粒形狀和充放電倍率，進行了深入的探討，對于電極材料的設(shè)計和鋰離子電池配方設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。