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电池用导电剂添加剂是什么?有哪些?
来源: | 作者:TFCNT | 发布时间: 119天前 | 99 次浏览 | 分享到:

      导电添加剂作为锂离子电池的重要组成部分,虽然成分虽小,但在很大程度上影响着锂离子电池的性能,对提高电池的循环性能、容量发挥、倍率性能有着非常重要的作用。

一、导电助剂的作用

      导电助剂的主要作用是提高电导率,以保证电极具有良好的充放电性能,制版时通常会添加一定量的导电助剂,在活性物质之间,且活性物质之间有集微电流的作用,降低电极接触电阻,加速电子移动速率。此外,导电助剂还可以改善电极片的加工性,促进电解液向电极片的浸润,还可以有效提高锂离子在电极材料中的迁移速率,减少极化,从而提高电极的充放电效率和锂电池的使用寿命。

二、导电助剂含量对电性能的影响

      导电剂在电极中的作用是提供电子运动通道,导电剂含量合适才能获得较高的放电容量和较好的循环性能,含量过低会导电通道较少,不利于大安培电流充放电;如果导电助剂的含量过高,则活性物质的相对含量减少,电池容量降低。

      导电添加剂的存在会影响电解液在电池系统中的分布,由于锂离子电池的空间限制,电解液的注入量受到限制,一般处于贫液状态,而作为电池电解液系统内部连接是阴极等离子体,锂离子电池的分布对液相扩散有至关重要的影响,当电极一端导电添加剂含量过高时,电解液会在该极富集,锂离子另一极传输过程慢,极化度高,反复循环后容易失效,从而影响电池的整体性能。

三、锂离子电池常用导电添加剂

      锂离子电池常用的导电添加剂可分为传统导电添加剂(如炭黑、导电石墨、碳纤维等)和新型导电添加剂(如碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料等 )。

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和紧密堆积有利于紧密结合。颗粒之间接触,在电极中形成导电网络,有利于电解液的吸附,提高离子电导率。

      比表面积较大的工艺难以分散,具有较强的吸油性,应通过改进活料、导电助剂混合工艺来提高其分散性,并控制炭黑用量在一定范围内(通常低于1.5%),在电池中可以起到吸液和保液的作用。

②导电石墨

      石墨导电添加剂基本为人造石墨,与人造石墨负极材料相比,人造石墨作为导电添加剂,具有较小的粒度,同时具有良好的导电性,其颗粒接近活体材料颗粒尺寸,颗粒与颗粒之间呈点接触形式导电网络结构之间可以形成一定的规模,提高负极的导电率的同时可以提高负极的容量。

③碳纤维(VGCF)

      导电碳纤维具有线性结构,易于在电极中形成良好的导电网络,表现出良好的导电性,从而减少电极极化,降低电池内阻,提高电池性能。在以碳纤维作为导电添加剂的电池中,带电物质与导电助剂的接触形式为点线接触。与导电炭黑和导电石墨之间的点线接触形式相比,这种接触形式不仅有利于提高电极导电率,而且可以减少导电添加剂的用量,提高电池容量。

④碳纳米管(CNT)

      碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,碳纳米管和纤维的一维结构类似长柱,内部中空。碳环可以形成共轭效应,少量的碳环可以形成共轭效应。导电网络与活性物质充分连接,有利于提高电池的容量和循环稳定性。碳纳米管良好的导热性有助于电池的散热,减少内部极化,因此可以提高电池的高、中性。提高电池的低温性能和安全性,延长电池的使用寿命。

      然而,碳纳米管作为导电添加剂存在两个问题:合成过程中存在金属催化剂残留。电池在高电位充放电过程中,金属杂质容易氧化并沉淀在负极表面,造成电池内部微短路,电池自放电严重,甚至发生安全事故;碳纳米管之间较强的范德华力导致活性材料难以均匀分散,阻碍了导电性能的发挥。

⑤石墨烯

      石墨烯作为一种新型导电添加剂,具有“至软至薄至密”的特性,由于其独特的层状结构(2D)结构,与活性物质的接触为点-面接触而不是一次接触。规则的点接触形式,这样就可以最大限度地发挥导电添加剂的用途,比如减少导电添加剂的用量,通过提高锂离子电池的容量。

      与传统导电添加剂相比,石墨烯导电添加剂可以更有效地降低正负极材料颗粒之间的接触阻抗,提高整体电极的导电性能。但由于其成本高、分散困难等缺点由于阻碍了锂离子的传输,石墨烯尚未完全应用于工业应用。

⑥二元、三元导电浆料

      在最新的研究进展中,一些锂离子电池选择的导电添加剂是CNT、石墨烯、导电炭黑两种或三种之间的混合浆料。将导电添加剂组合成导电浆料是工业应用的需求,也是相互合作的结果无论是炭黑、石墨烯还是CNT,单独使用时都很难分散。若想与带电物料混合均匀,需在搅拌电极浆料前将其分散后再使用。

四、导电助剂的应用及前景

上述每种导电助剂都有其各自的优点。未来导电助剂的发展将重点关注以下四个方面:

1、导电助剂在水体系或NMP有机体系溶剂中应具有良好的分散性;

2、通过与碳纳米管、石墨烯等高导电率的新型碳材料结合,降低导电添加剂的比例,提高性能;

3、增加比表面积和电解液吸附能力,进一步提高电极片的离子电导率。

4、与传统材料相比,碳纳米管和石墨烯复合材料都迫切需要降低成本以满足实际需求。