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【干貨】幾種常用鋰電池導(dǎo)電劑介紹

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:6942次  |  2019年09月06日  

一、鋰電池中加入導(dǎo)電劑的目的


鋰電池在充放電循環(huán)中,正負(fù)極極片上有電流通過時(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)鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的重要參數(shù),如果極化電壓長期不合理,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,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SPUERLi、S-O、KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、350G、乙炔黑(AB)、科琴黑(KB)、氣相生長碳纖維(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)。比表面較大帶來的工藝問題是分散困難、具有較強(qiáng)的吸油性,這就需要通過改善活物質(zhì)、導(dǎo)電劑的混料工藝來提高其分散性,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似呈長柱狀,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狀態(tài),無論是哪種形式其應(yīng)用于鋰電池中都存在一個(gè)問題就是分散,目前可以通過高速剪切、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


導(dǎo)電劑的形態(tài)、種類各異,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、工藝問題還沒有大面積應(yīng)用于導(dǎo)電劑行業(yè)。每種導(dǎo)電劑都各有其優(yōu)勢,取長補(bǔ)短,多元混合的導(dǎo)電漿料將是未來導(dǎo)電劑的主流發(fā)展方向。


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