幾種常用鋰電池導(dǎo)電劑介紹

一、中加入導(dǎo)電劑的目的

池在充放電循環(huán)中，正負(fù)極極片上有電流通過(guò)時(shí)，就會(huì)有凈反應(yīng)發(fā)生，表明電極失去了原有的平衡狀態(tài)，電極電位將偏離平衡電位，就產(chǎn)生了常說(shuō)的極化。鋰電池極化可以分為歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化。極化電壓是反應(yīng)內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的重要參數(shù)，如果極化電壓長(zhǎng)期不合理，則會(huì)導(dǎo)致負(fù)極鋰金屬析出加快，嚴(yán)重情況下會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致短路。據(jù)鋰電池初期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，單純依靠活物質(zhì)的導(dǎo)電性是不足以滿足電子遷移速率要求的，為了使電子能夠快速移動(dòng)歸位，出現(xiàn)了導(dǎo)電劑的加入。

導(dǎo)電劑的首要作用是提高電子電導(dǎo)率。導(dǎo)電劑在具活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間起到收集微電流的作用以減小電極的接觸電阻，提高鋰電池中電子的遷移速率，降低電池極化。此外，導(dǎo)電劑也可以提高極片加工性，促進(jìn)電解液對(duì)極片的浸潤(rùn)，從而提高鋰電池的使用壽命。

二、常用鋰電池導(dǎo)電劑

常用的鋰電池導(dǎo)電劑可以分為傳統(tǒng)導(dǎo)電劑(如炭黑、導(dǎo)電石墨、碳纖維等)和新型導(dǎo)電劑(如碳納米管、石墨烯及其混合導(dǎo)電漿料等)。市面上的導(dǎo)電劑型號(hào)有SPUER Li、S-O、KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、350G、乙炔黑(AB)、科琴黑(KB)、氣相生長(zhǎng)碳纖維(VGCF)、碳納米管(CNT)等等。

(1)炭黑

炭黑在掃描電鏡下呈鏈狀或葡萄狀，單個(gè)炭黑顆粒具有非常大的比表面積(700m2/g)。炭黑顆粒的高比表面積、堆積緊密有利于顆粒之間緊密接觸在一起，組成了電極中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。比表面較大帶來(lái)的工藝問(wèn)題是分散困難、具有較強(qiáng)的吸油性，這就需要通過(guò)改善活物質(zhì)、導(dǎo)電劑的混料工藝來(lái)提高其分散性，并將炭黑量控制在一定范圍內(nèi)(通常是1.5%以下)，炭黑形態(tài)及其在活物質(zhì)中混合狀態(tài)如圖1所示。

(2)導(dǎo)電石墨

導(dǎo)電石墨也具有較好的導(dǎo)電性，其本身顆粒較接近活物質(zhì)顆粒粒徑，顆粒與顆粒之間呈點(diǎn)接觸的形式，可以構(gòu)成一定規(guī)模的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高導(dǎo)電速率的同時(shí)用于負(fù)極時(shí)更可提高負(fù)極容量。

(3)碳纖維(VGCF)

導(dǎo)電碳纖維具有線性結(jié)構(gòu)，在電極中容易形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性，因而減輕電極極化，降低電池內(nèi)阻及改善電池性能。在碳纖維作為導(dǎo)電劑的電池內(nèi)部，活物質(zhì)與導(dǎo)電劑接觸形式為點(diǎn)線接觸，相比于導(dǎo)電炭黑與導(dǎo)電石墨的點(diǎn)點(diǎn)接觸形式，不僅有利于提高電極導(dǎo)電性，更能降低導(dǎo)電劑用量，提高電池容量。VGCF和導(dǎo)電炭黑在活物質(zhì)中分散狀態(tài)比較如圖2所示：

(4)碳納米管(CNT)

CNT可以分為單壁CNT和多壁CNT，一維結(jié)構(gòu)的碳納米管與纖維類(lèi)似呈長(zhǎng)柱狀，內(nèi)部中空。利用碳納米管作為導(dǎo)電劑可以較好的布起完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其與活物質(zhì)也是呈點(diǎn)線接觸形式，對(duì)于提高電池容量(提高極片壓實(shí)密度)、倍率性能、電池循環(huán)壽命和降低電池界面阻抗具有很大的作用。目前，比亞迪、中航鋰電部分產(chǎn)品使用CNT作為導(dǎo)電劑，經(jīng)反響具有不錯(cuò)的效果。碳納米管可分為糾纏式和陣列式兩種成長(zhǎng)狀態(tài)，無(wú)論是哪種形式其應(yīng)用于鋰電池中都存在一個(gè)問(wèn)題就是分散，目前可以通過(guò)高速剪切、添加分散劑、做成分散漿料、超細(xì)磨珠靜電分散等工藝解決。

(5)石墨烯

石墨烯作為新型導(dǎo)電劑，由于其獨(dú)特的片狀結(jié)構(gòu)(二維結(jié)構(gòu))，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)-面接觸而不是常規(guī)的點(diǎn)點(diǎn)接觸形式，這樣可以最大化的發(fā)揮導(dǎo)電劑等作用，減少導(dǎo)電劑的用量，從而可以多使用活性物質(zhì)，提升鋰電池容量。但是由于其成本較高，分散困難、具有阻礙鋰離子傳輸?shù)缺锥松形赐耆还I(yè)化應(yīng)用。

(6)二元、三元導(dǎo)電漿料

在最新的研究進(jìn)展中，部分鋰電池選用的導(dǎo)電劑是CNT、石墨烯、導(dǎo)電炭黑之間兩者或三者的混合漿料。將導(dǎo)電劑復(fù)合做成導(dǎo)電漿料是工業(yè)應(yīng)用的需求，也是導(dǎo)電劑之間相互協(xié)同、激發(fā)作用的結(jié)果。無(wú)論是炭黑、石墨烯還是CNT，將其三者單獨(dú)使用時(shí)已經(jīng)很大的分散難度，如果想要將其與活物質(zhì)均勻混合，則需要在未進(jìn)行電極漿料攪拌之前，將其分散開(kāi)然后再投入使用。三元漿料用于正極活物質(zhì)攪拌狀態(tài)如圖3所示：

三、導(dǎo)電劑的未來(lái)

導(dǎo)電劑的形態(tài)、種類(lèi)各異，其微觀結(jié)構(gòu)是影響導(dǎo)電性能的重要因素。從炭黑的顆粒狀到碳纖維、CNT的一維結(jié)構(gòu)再到現(xiàn)在的石墨烯二維片狀結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)不斷改進(jìn)的過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中，炭黑作為導(dǎo)電劑應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，工藝也非常成熟了。CNT作為導(dǎo)電劑應(yīng)用于動(dòng)力電池已經(jīng)過(guò)較多廠商試驗(yàn)、應(yīng)用，取得了很好的效果。但是石墨烯由于其成本、工藝問(wèn)題還沒(méi)有大面積應(yīng)用于導(dǎo)電劑行業(yè)。每種導(dǎo)電劑都各有其優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，多元混合的導(dǎo)電漿料將是未來(lái)導(dǎo)電劑的主流發(fā)展方向。