從石墨(mò)、炭(tàn)黑到新型炭材(cái)料---鋰電池導電劑材(cái)料大比拚

導(dǎo)電劑在鋰離子電池活性材料中隻添加很少一部分比例(lì),但其重要性(xìng)卻(què)不(bú)可忽視,每種不同的電極活(huó)性材料都有其匹配的導電劑。顧名思義,導電劑最基本(běn)的功能就是導電,可(kě)以(yǐ)在活性物質之間、活性物質與集(jí)流體之間收集(jí)微電流,以減小(xiǎo)電極的接觸電阻、加速電子的移動速度。 導電劑是(shì)在極片的(de)漿料製備環(huán)節進入鋰電池的。極片的漿料製備(bèi)是(shì)將活性物質、導電劑、黏(nián)結劑按照一定比例進(jìn)行混合,經(jīng)過攪拌機對漿料進行高度分散,最後形成(chéng)均勻的漿料,用於下(xià)一步箔片的塗布。 導電劑的材料(liào)、形貌、粒徑及含量對電池都有著不同的影(yǐng)響,碳係導電劑從(cóng)類型(xíng)上可以分為導電(diàn)石(shí)墨、導電炭黑、導電碳纖維和石墨烯。 導電石墨 最初用於(yú)鋰離子(zǐ)電(diàn)池的導電石墨(mò)在鋰離子電池中(zhōng)充當(dāng)導電網絡的節點,其粒徑接近正極活性物(wù)質的粒徑(jìng)。用在負極中,不僅可以提高電極的導電性(xìng),而且可以提高(gāo)負極的容量(liàng)。導電(diàn)劑與活性物質之(zhī)間是點(diǎn)對點或者點對麵接觸,具體的接觸方式跟導電劑的具(jù)體形貌有關,目前常用的導電石墨有KS、SFG、MX等(děng)係(xì)列,
 
導電炭黑 炭黑是小顆粒碳(tàn)和烴(tīng)熱分解的生成物在氣相狀態下形成的(de)熔融聚合物(wù)的總稱(chēng),是一種由球形納米級顆粒團聚(jù)成多簇狀和纖維狀的團聚物(wù)結構(gòu),粒徑幾乎是導電(diàn)石墨粒徑的十分之一。根據導(dǎo)電能力大小,可以分為(wéi)導電炭(tàn)黑、超導電炭黑和特導電炭黑。 油的吸(xī)附值 (OAN)用(yòng)來表征炭黑的結構性。OAN值越大,表示炭黑結構度越高,容易形成難以(yǐ)破壞的導電網絡通道。越細的炭黑顆粒,其結構度越高,炭黑顆粒之間形成(chéng)的網狀鏈堆積越緊密,有利於在聚合物中形成鏈式導電結(jié)構。缺點是OAN值高的導電炭黑對聚合物粘結劑、液態和聚合物電解質的吸附能力比較(jiào)強,分散性較差。 就(jiù)傳統兩種導電劑(jì)材(cái)料而言,炭黑的本身的導電性是不如石(shí)墨的,但在極片中使用導電劑的目的是降低整體粉料的(de)電阻(zǔ)和加強(qiáng)材料顆粒之間的導電通路,導電劑的選擇要以此(cǐ)為標準。炭黑是由球形納(nà)米級顆粒團聚成多簇狀和纖維狀的團聚物結構,而導電石墨是微米鱗片或薄片狀的,相同質量下,炭黑顆粒數更多(duō),體積更大,且更有利於(yú)顆粒之間導電(diàn)通路的形成,對極片內(nèi)阻的(de)降低(dī)更有幫助。另外(wài),某些石(shí)墨材料負極還(hái)需加入導電炭黑的原因也是(shì)為了加強顆(kē)粒之間的導電。
 
導電碳纖(xiān)維 導電碳纖(xiān)維主要包括氣相生(shēng)長(zhǎng)碳纖維及碳納米管,前一種導電劑有著高的本征電導率和熱導率(lǜ)。由於纖維狀導電劑有(yǒu)著較(jiào)高的彎曲模量和低(dī)的(de)熱膨(péng)脹係數,所以通常添加此(cǐ)類導電劑的極片會(huì)有(yǒu)著(zhe)好的柔韌(rèn)性和機械穩定性。 氣相生長碳纖維是烴氣體和氫氣(qì)在溫(wēn)度超過1 000℃的條件下,采用金屬催化劑催化得到,烴氣(qì)體為碳纖維的生(shēng)長提供了碳源,由於製(zhì)造工藝較為複雜,所以導致氣相(xiàng)生長碳纖維的成本較高,是(shì)沒有得到廣泛應用的原因之一。 纖維狀導電劑除了氣相生長碳纖維外還有碳納米管,其又可分為單壁碳(tàn)納米管和多壁碳納米管。碳納米管(guǎn)作(zuò)為新(xīn)興的導(dǎo)電劑(jì),不(bú)僅能夠在導電網絡中充當“導線”的作用,同時(shí)還具(jù)有雙電層作用,發揮超級電(diàn)容器的高(gāo)倍率特性,其良好的導熱性能還有利於電池充放電(diàn)時的散熱,減(jiǎn)少電池的極化,提高電池的高低(dī)溫性能,延長電(diàn)池的壽命。 石墨烯 石墨烯可以通俗(sú)地理(lǐ)解為“單(dān)層石墨片”,是(shì)構成石墨的基本(běn)結構單元,石墨烯富有可塑性,既可以卷曲成圓筒狀,變成一維碳納米管;也可以製成球狀或橢球狀,得到零維的富勒烯。石墨烯的優勢在於本身即為二維晶體結構(gòu),具有幾(jǐ)項破紀錄的性能(強度、導電、導熱),可實現大(dà)麵積連續生長。 石墨烯作為新(xīn)型導電劑,由於其獨特的片狀結構(二維結構),與活性物質(zhì)的接(jiē)觸為點麵接觸而不是常規的點點接觸(chù)形式,這樣可以最大化的發揮(huī)導電劑的作用,減少導電劑(jì)的用量,從而可以多使用活性物質,提(tí)升鋰電池容量。作為導(dǎo)電劑的效果與其(qí)加入(rù)量密切(qiē)相關. 在加入量較小的(de)情況下, 石墨烯由於能夠更好地形成導電網絡, 效果遠好於導電炭黑。但是片層較厚的石墨烯(xī)會阻(zǔ)礙鋰離子的擴散而降(jiàng)低極片的離子電導率(一(yī)般認為6-9層最為適宜(yí))。
 
目(mù)前,在眾多導電劑材料中,石(shí)墨烯最為大眾看好(hǎo)。圖2是寧波墨西科技對石墨烯導電性能(néng)做的對比試驗,可以看(kàn)到在磷酸鐵鋰極片中,隨著(zhe)導電劑添加量增加,含有石墨烯的磷酸鐵鋰極片電阻率下降明顯,並且,隻需要添(tiān)加極少量的石墨烯,便可實現其它兩種導電劑在高添加量條件下的導電性能。此外,石墨烯對於電池的倍率循環性能和安全性能相對一般導電劑也均有提升。

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