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几种常用锂电池导电剂介绍

日期:2017-08-02 15:55:13    作者:德凯电气    浏览次数:0
一、锂电池中加入导电剂的目的
锂电池在充放电循环中,正负极极片上有电流通过时,就会有净反应发生,表明电极失去了原有的平衡状态,电极电位将偏离平衡电位,就产生了常说的极化。锂电池极化可以分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化。极化电压是反应锂离子电池内部电化学反应的重要参数,如果极化电压长期不合理,则会导致负极锂金属析出加快,严重情况下会刺穿隔膜导致短路。据锂电池初期实验数据,单纯依靠活物质的导电性是不足以满足电子迁移速率要求的,为了使电子能够快速移动归位,出现了导电剂的加入。
导电剂的首要作用是提高电子电导率。导电剂在具活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用以减小电极的接触电阻,提高锂电池中电子的迁移速率,降低电池极化。此外,导电剂也可以提高极片加工性,促进电解液对极片的浸润,从而提高锂电池的使用寿命。
二、常用锂电池导电剂
常用的锂电池导电剂可以分为传统导电剂(如炭黑、导电石墨、碳纤维等)和新型导电剂(如碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料等)。市面上的导电剂型号有SPUER Li、S-O、KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、350G、乙炔黑(AB)、科琴黑(KB)、气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)等等。
(1)炭黑
炭黑在扫描电镜下呈链状或葡萄状,单个炭黑颗粒具有非常大的比表面积(700m2/g)。炭黑颗粒的高比表面积、堆积紧密有利于颗粒之间紧密接触在一起,组成了电极中的导电网络。比表面较大带来的工艺问题是分散困难、具有较强的吸油性,这就需要通过改善活物质、导电剂的混料工艺来提高其分散性,并将炭黑量控制在一定范围内(通常是1.5%以下),炭黑形态及其在活物质中混合状态如图1所示。
(2)导电石墨
导电石墨也具有较好的导电性,其本身颗粒较接近活物质颗粒粒径,颗粒与颗粒之间呈点接触的形式,可以构成一定规模的导电网络结构,提高导电速率的同时用于负极时更可提高负极容量。
(3)碳纤维(VGCF)
导电碳纤维具有线性结构,在电极中容易形成良好的导电网络,表现出较好的导电性,因而减轻电极极化,降低电池内阻及改善电池性能。在碳纤维作为导电剂的电池内部,活物质与导电剂接触形式为点线接触,相比于导电炭黑与导电石墨的点点接触形式,不仅有利于提高电极导电性,更能降低导电剂用量,提高电池容量。VGCF和导电炭黑在活物质中分散状态比较如图2所示:
(4)碳纳米管(CNT)
CNT可以分为单壁CNT和多壁CNT,一维结构的碳纳米管与纤维类似呈长柱状,内部中空。利用碳纳米管作为导电剂可以较好的布起完善的导电网络,其与活物质也是呈点线接触形式,对于提高电池容量(提高极片压实密度)、倍率性能、电池循环寿命和降低电池界面阻抗具有很大的作用。目前,比亚迪、中航锂电部分产品使用CNT作为导电剂,经反响具有不错的效果。碳纳米管可分为纠缠式和阵列式两种成长状态,无论是哪种形式其应用于锂电池中都存在一个问题就是分散,目前可以通过高速剪切、添加分散剂、做成分散浆料、超细磨珠静电分散等工艺解决。
(5)石墨烯
石墨烯作为新型导电剂,由于其独特的片状结构(二维结构),与活性物质的接触为点-面接触而不是常规的点点接触形式,这样可以最大化的发挥导电剂等作用,减少导电剂的用量,从而可以多使用活性物质,提升锂电池容量。但是由于其成本较高,分散困难、具有阻碍锂离子传输等弊端尚未完全被工业化应用。
(6)二元、三元导电浆料
在最新的研究进展中,部分锂电池选用的导电剂是CNT、石墨烯、导电炭黑之间两者或三者的混合浆料。将导电剂复合做成导电浆料是工业应用的需求,也是导电剂之间相互协同、激发作用的结果。无论是炭黑、石墨烯还是CNT,将其三者单独使用时已经很大的分散难度,如果想要将其与活物质均匀混合,则需要在未进行电极浆料搅拌之前,将其分散开然后再投入使用。三元浆料用于正极活物质搅拌状态如图3所示:
三、导电剂的未来
导电剂的形态、种类各异,其微观结构是影响导电性能的重要因素。从炭黑的颗粒状到碳纤维、CNT的一维结构再到现在的石墨烯二维片状结构,这是一个不断改进的过程。在实际应用中,炭黑作为导电剂应用已经非常广泛,工艺也非常成熟了。CNT作为导电剂应用于动力电池已经过较多厂商试验、应用,取得了很好的效果。但是石墨烯由于其成本、工艺问题还没有大面积应用于导电剂行业。每种导电剂都各有其优势,取长补短,多元混合的导电浆料将是未来导电剂的主流发展方向。 
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