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對比分析四大鋰電池的導電劑

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年03月07日  

鋰電池的電池在正極材料表面的充放電過程是當電池放電時候,處于孔中的鋰離子進入正極活性物質中,如果電流加大則極化增加,放電困難,這樣電子間的導電性就較差,光靠活性物質本省的導電性是遠遠不夠的,為了保證電極有良好的充放電性能,在極片制作時通常加入一定量的導電劑,在活性物質之間與集流體起到收集微電流的作用。

隨著鋰電池的商品化越來越廣泛,鋰電池的電池在正極材料表面的充放電過程是當電池放電時候,處于孔中的鋰離子進入正極活性物質中,如果電流加大則極化增加,放電困難,這樣電子間的導電性就較差,光靠活性物質本省的導電性是遠遠不夠的,為了保證電極有良好的充放電性能,在極片制作時通常加入一定量的導電劑,在活性物質之間與集流體起到收集微電流的作用。

導電劑綜述

作為鋰離子電池導電劑材料使用的主要有常規導電劑SUPER-P、KS-6、導電石墨、碳納米管、石墨烯、碳纖維VGCF等,這些導電劑擁有各自的優劣勢。具體來看:

導電劑的應用

當前鋰離子電池中最為主要的導電劑,可分為導電炭黑,導電石墨和新型導電劑。

炭黑是目前使用最為廣泛的導電劑,主要采用有機物(天然氣、重油等)不完全燃燒或受熱分解而得到,并通過高溫處理以提高其導電性與純度。

石墨導電劑基本為人造石墨,與負極材料人造石墨相比,作為導電劑的人造石墨具有更小的顆粒度,一般為3~6μm,且孔隙和比表面更發達,有利于極片顆粒的壓實以及改善離子和電子電導率。新型導電劑包括碳納米管(CNT),碳纖維(VGCF),石墨烯等。以下是一些常見的導電劑理化參數對比:

1、SP

目前國內鋰離子電池導電劑還是以常規導電劑SP為主。炭黑具有更好的離子和電子導電能力,因為炭黑具有更大的比表面積,所以有利于電解質的吸附而提高離子電導率。另外,炭一次顆粒團聚形成支鏈結構,能夠與活性材料形成鏈式導電結構,有助于提高材料的電子導電率。

2、石墨導電劑

基本為人造石墨,與負極材料人造石墨相比,作為導電劑的人造石墨具有更小的顆粒度,有利于極片顆粒的壓實以及改善離子和電子電導率。

3、CNT導電劑

在高端數碼電池領域的應用比例較高達50%以上,在動力電池領域的應用比例相對較低。但近年來隨著動力電池對能量密度、倍率性能、循環壽命等性能要求逐漸提高,CNT導電劑在該領域應用比例正在逐漸上升。

4、科琴黑

科琴黑只需要極低的添加量就可以達到高導電性,所以科琴黑一直是導電炭黑中的極品,長期以來在市場中處于領先地位。與其他用于電池的導電炭黑相比較,科琴黑具有獨特的支鏈狀形態。這種形態的優點在于,導電體導電接觸點多,支鏈形成較多導電通路,因而只需很少的添加量即可達到極高的導電率(其他碳黑多為圓球狀或片狀,故需要很高的添加量才能達到所需的電性)。

科琴黑是目前比較前沿的超級導電炭黑,目前鋰電的前10強基本都在用或者試驗。其中EC-300J主要用于鎳氫、鎳鎘電池;ECP和ECP-600JD主要用于高倍率大容量和電流密度的鋰電,其中以ECP-600JD變現尤為突出。業界普遍認為:其優越的導電性和高純度及獨特的支鏈結構,在鐵鋰為正極材料的時代會嶄露頭角。

科琴黑用于電池中的產品有兩種:CarbonECP和CarbonECP600JD、CP300JD。

導電劑的含量

a)導電劑在電極中的作用是提供電子移動的通道,導電劑含量適當能獲得較高的放電容量和較好的循環性能,含量太低則電子導電通道少,不利于大電流充放電;太高則降低了活性物質的相對含量,使電池容量降低。

b)導電劑的存在可以影響電解液在電池體系內的分布,由于受鋰離子電池的空間限制,注入的電解液量是有限的,一般是處于貧液狀態,而電解液作為電池體系內部連接正負極的離子體,其分布對鋰離子在液相中的遷移擴散有著至關重要的影響。

當一端電極中導電劑含量過高時,電解液富集在這一極而使另一極的鋰離子傳輸過程緩慢,極化度較高,在反復循環后易于失效,從而影響電池的整體性能。

C)當導電劑的含量達到一個轉折點就行,太多只會減少電極密度,使容量下降,而太少則會導致電極中活性物質利用率低,且高倍率放電性能下降。

發展趨勢

導電劑的開發將集中在以下4個方面:

(1)在水性體系中還是在NMP有機體系溶劑中,導電劑都應具有良好的分散性;

(2)與高導電性的碳納米管、石墨烯等新型炭材料復合,以降低導電劑的使用比例和提高性能;

(3)提高比表面積和電解液吸附能力,進一步提高極片的離子電導率。

(4)無論是碳納米管還是石墨烯復合材料,與傳統的材料比,亟需降低成本,以滿足實際需求。

導電劑展望

分析認為,目前碳納米管和石墨烯均可做成導電漿料,價格比普通炭黑SP貴很多。炭黑是非常成熟的導電劑,價格比較穩定。CNT和石墨烯未來隨著規模化效應的提高,其價格下降空間相對較大,未來應用前景客觀。

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