2026 年 2 月，牛津大学 Patrick S. Grant 课题组在《Nature Communications》上发表了一项"精细"的工作：利用银、溴选择性标记负极羧甲基纤维素（CMC）和丁苯橡胶（SBR）粘结剂，实现了粘结剂区域的精细电子显微成像与精准光谱定量分析，把锂电负极里那层质量占比不到 5% 的粘结剂"看"得清清楚楚。

结果让人眼前一亮：刚涂好的极片表面上，粘结剂膜是完整包裹石墨颗粒的；未辊压时 CMC 覆盖率约 92%，一旦过了辊压，降至 32%。这层膜立刻碎裂成覆盖率不到三分之一的碎片——哪怕是商业量产极片也不例外。

图1. 辊压前后粘结剂膜的 EsB 成像与石墨表面覆盖率统计；扫描电镜的EsB成像：Energy Selective Backscatter，能量选择背散射探测器

这条肉眼看不见的裂缝，很可能就是电池循环跳水的真正起点。问题来了：实验室里花几十万、一周才能做完一次的表征，到了一天跑几公里的产线上、具体工艺中，该怎么用？

1、为什么非得"看见"粘结剂？

粘结剂在极片中通常只占质量的 1%~5%，却同时干着三件谁也替代不了的事：

• 内聚网络作用：把活性物质和导电剂粘成一个整体颗粒网络；

• 界面附着作用：把整个涂层粘在铜箔/铝箔上；

• 孔隙/传质调控作用：决定孔隙结构，间接决定离子和电子怎么跑

粘结剂分布不均是极片性能离散、循环加速衰减的核心诱因，其劣化过程并非“分布不均→直接失效”的简单对应，而是遵循两条递进式的正反馈路径。

路径一：力学不均诱导微裂纹扩展与渐进粉化失效

粘结剂的核心作用之一是构建极片的连续力学粘结网络：锚定活性颗粒与导电剂，同时将整个极片层粘结在集流体表面，承担循环过程中体积胀缩带来的拉压应力、剪切应力，维持颗粒间接触与极片整体结构完整性。

当粘结剂分布不均匀时，极片不同区域的粘结强度、抗形变能力、耐疲劳性能会出现显著的空间异质性。对于石墨负极，该过程表现为渐进式的局部脱粘、微裂纹扩展；而对于硅基负极，约300%的嵌锂体积膨胀会反复放大力学异质性，薄弱区优先出现局部力学失效，逐步演变为电化学失活，最终发展为连锁式区域粉化。

整个过程遵循“力学结构异质性→局部力学失效→电化学失活→连锁式区域粉化”的递进规律，硅负极的大体积效应大幅放大了这一正反馈过程，是硅基体系对粘结剂工艺高度敏感的核心原因。

图2. 硅负极膨胀问题

路径二：传输不均引发极片空间SOC异质性

粘结剂本身是电子绝缘体、离子低导体，其分布不均会从电子、离子两个维度同时破坏极片的传输均匀性，直接导致局域反应速率分化。

粘结剂分布不均会造成两个直接后果：一是导电剂分散失效，局部电子传导路径断裂，电子传输不均；二是极片孔隙率分布畸变，粘结剂富集区孔隙被堵塞，离子传输受阻。二者共同作用下，极片各微区的电化学反应速率、反应程度出现显著差异（即反应不同步），本质是极片空间SOC（荷电状态）异质性。

这种会导致各区域体积膨胀程度差异增大，进一步破坏粘结网络与孔隙结构，反过来加剧传输不均，反映在后端电化学性能上，直接表现为活性物质容量发挥不足、倍率性能下降、DCIR 均值升高、COV 离散度显著增大。这类性能劣化效应一般随循环次数增加逐步累积放大。

图3. 导电剂分散失效

上述两条路径并非独立作用，力学结构破坏会加剧传质与导电不均，传输不均导致的 SOC 异质性又会放大力学形变差异，二者耦合作用下加速极片性能衰减。

2、学术界是怎么"看"它的？

过去十几年，学术界发展出了一整套"看见粘结剂"的方法。我们梳理了五篇代表性工作，几乎覆盖了今天所有主流路线。

化学染色 + 电镜（前沿、新型）

前面提到的牛津大学 Zankowski 等人，2026 年发表在《Nature Communications》上的方法，思路很直接：CMC 上的羧基能和银离子络合成不溶的 Ag-CMC，SBR 上的双键能和溴反应，染完色，原来在电镜下"隐身"的聚合物就有了原子序数衬度。

这种染色相比传统锇酸染色更绿色、低毒，染完之后用 EDX mapping 就能沿厚度方向定量粘结剂浓度，扫描电镜下的 EsB 成像还能看到几十纳米厚的粘结剂膜。他们最重要的发现，就是文章开头那个辊压后膜碎裂的现象——未辊压时 CMC 完整覆盖石墨表面，辊压后只剩 32% 左右。

拉曼光谱沿厚度扫描（丰田 2014）

十多年前，丰田技术中心的 Hagiwara 团队把不同干燥阶段的极片速冻、冻干，用共聚焦拉曼沿截面扫描。SBR在 1001 cm⁻¹有特征峰，石墨在 1360 cm⁻¹ 有特征峰，两个峰高之比做一条校准曲线，就能定量每个深度的SBR含量。

结果非常直观：150°C 强对流干燥下，短短 30 秒，涂层表层的 SBR 浓度就比底层高出了将近 3 倍 —— 表层不断富集，底层不断贫化；而室温无气流干燥，从头到尾都均匀。干燥条件直接"写"进了粘结剂的分布图里。

图4. 150°C 强对流和室温条件干燥下，SBR 沿厚度方向浓度随干燥时间的演化

多模态 metrology 全家桶（UCL 2022）

真正把"表征"做成体系的，是伦敦大学学院 Brett/Shearing 团队 2022 年发在《Journal of Materials Chemistry A》上的工作。他们在 5 个干燥温度下，同时上了 X 射线 CT（看活性物质三维分布）、FIB-SEM-EDS（看粘结剂分布）、180° 剥离测试（看力学）、扣电（看电化学）。

结论是：NMC 正极对干燥温度敏感，60°C 附着力最高、倍率最好；石墨水性负极对温度不那么敏感——因为水的沸点只有 100°C，"时间-偏析窗口"短。这种"一鱼五吃"的多模态范式，是今天顶刊的标配，但每一项设备都是百万到千万级。

图5. 不同干燥温度下正极（上）与负极（下）180° 剥离强度

标准化拉脱强度测试（布伦瑞克 2015）

力学这边，布伦瑞克工业大学 Kwade 团队 2015 年在《International Journal of Adhesion and Adhesives》上发表的 pull-off 方法学，是今天几乎所有剥离测试的参考。他们系统研究了接触压力、保压时间、拉拔速度、数据采集率四个参数，定出了一套标准流程，并验证了：附着力随粘结剂含量线性上升、随粘结剂分子量上升、随浆料分散强度上升。

图6. 附着力随粘结剂含量/面密度（左）与粘结剂分子量（右）的变化

3、这些方法的共同软肋

盘点下来，学术界的方法有三个绕不开的问题：

• 设备昂贵、检测门槛高

• 测试周期长，无法产线闭环

• 制样复杂、易扰动原始结构、无法量化分层差异

更关键的是，这些方法回答的是"为什么"——给实验室写论文用；产线要回答的是"这一片合不合格"。学术看 “机理”，工业看 “一致性、离散性、制程偏差”

还有一个被忽略的空白：现有力学测试几乎都只测"整体"附着力——把整个涂层从铜箔上拉下来，看一个平均值，无法表征粘结剂的分层偏析。

4、元能工业级、快速、分层方案

针对粘结剂表征，元能科技发展了一套"工业级、快速、分层"的方案。它不追求电镜下看到纳米级薄膜，而是在产线上用最短时间，把粘结剂的"分布—力学—电学—电化学"这条链走完：

① LEPS1000/LECF1000——回答"粘结剂含量、均匀性"

图7. 粘结剂分层定量表征方案

元能科技采用“分层制样+力学分析或其它表征方法”的组合思路（如图 7 所示），实现粘结剂分层定量的表征。

极片自动刮粉仪LEPS2000 以 “精准化、自动化、闭环测厚” 为核心，实现极片刮粉处理的全面升级。设备具备自动对刀功能，可完成刮刀自动校准；刮刀深度控制精度达1μm，搭配高精度测厚模块，实现极片刮粉前后的厚度验证，显著提升刮粉深度的精准度与操作过程的安全性。

极片涂层剥离强度测试仪LECF1000兼容不同工况的极片：拆解的湿态极片、固态复合极片等，可表征样品不同深度的剥离强度及内聚力。设备精准控制刀具自样品表面切入至目标深度，随后沿样品水平方向慢速剪切，实时采集水平剪切力，除了表征特定深度的力学状态，亦可作为极片表层的制样工具

② 元能科技其它表征设备——全方位的表征和监控

这套方案沿着“粘结剂分布 → 分层力学 → 电子导通 → 离子迂曲度 → 膨胀稳定性 → 电化学一致性”的完整影响链路排布，面向工艺场景，无需复杂制样即可快速评估结果。

5、写在最后

回到开头牛津那篇论文的另一组数据：仅仅把浆料分散工艺调一下——先以更高浓度把 CMC 和炭黑预分散，再稀释到最终配方——粘结剂团聚体密度就从每平方毫米 8.5 个降到 0.4 个，电子电阻率直接下降了 14%。

长期以来，粘结剂的精细分析更多是实验室里的机理研究工具：高精度的表征手段往往伴随高昂的设备成本、复杂的制样流程与漫长的测试周期，很难匹配产线 “快速判定、批量抽检、闭环管控” 的实际需求。

但与此同时，粘结剂又实实在在是极片性能的隐性骨架：质量和体积占比不足 5%，却同时决定着极片的力学结构完整性、电子与离子传输均匀性，以及最终的电化学循环稳定性。分布的细微偏差，经过制程与循环的放大，就会演变为性能的显著离散。

6、资料来源

[1]Zankowski et al., Chemical staining for fundamental studies and optimization of binders in Li-ion battery negative electrodes, Nature Communications, 2026

[2]Zhang et al., Applications of advanced metrology for understanding the effects of drying temperature in the lithium-ion battery electrode manufacturing process, J. Mater. Chem. A, 2022

[3]Müller et al., Investigation of binder distribution in graphite anodes for lithium-ion batteries, J. Power Sources, 2017

[4]Hagiwara et al., A Raman spectroscopic method to find binder distribution in electrodes during drying, J. Coat. Technol. Res., 2014

[5]Haselrieder et al., Measuring the coating adhesion strength of electrodes for lithium-ion batteries, Int. J. Adhes. Adhes., 2015

关于元能

IEST元能科技作为新型储能器件领域的技术服务先行者，致力于为全球电化学储能提供高效与领先的技术服务解决方案。

元能拥有材料、物理、化学、电化学、光学、机械、电子、计算机、人工智能等多学科多专业交叉的研发团队，围绕表征方法、设备技术、应用方案等开展自主研发，推出多款行业领先的精密仪器，应用于材料、电极、电芯、电化学、智慧实验室等领域的表征与制程，已累计服务全球超1200家客户。