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鋰離子電池碳材料及發展趨勢(導電劑)

作者:劉翔   添加時間:2016-06-28 08:33:14   瀏覽:

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 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3~6 μm,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:

  導電機理分析

  目前應用最廣泛的還是傳統類型的導電劑
 
  石墨和炭黑
 
  下圖對比了石墨和炭黑性能的對比(灰色-炭黑)

  可以看出:
 
  1.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.石墨具有更好的壓縮性和分散性,可提高電池的體積能量密度和改善極片的工藝特性, 一般配合炭黑使用。
 
  下面著重介紹下碳納米管和石墨烯類復合導電劑
 
  碳納米管
 
  作為導電劑與炭黑配合使用,與導電炭黑和導電石墨相比, 碳納米管導電劑具有如下特點:
 
  (1) 碳納米管具有良好的電子導電性,纖維狀結構能夠在電極活性材料中形成連續的導電網絡;
 
  (2) 添加碳納米管后極片有較高的韌性, 能改善充放電過程中材料體積變化而引起的剝落, 提高循環壽命;
 
  (3) 碳納米管可大幅度提高電解液在電極材料中的滲透能力;
 
  (4) 碳納米管的主要缺點在于不易分散。
 
  石墨烯
 
  作為導電劑的效果與其加入量密切相關. 在加入量較小的情況下, 石墨烯由于能夠更好地形成導電網絡, 效果遠好于導電炭黑。
 
  但是片層較厚的石墨烯會阻礙鋰離子的擴散而降低極片的離子電導率(一般認為6-9層最為適宜)

 石墨烯官能團的影響:

 

  通過氧化還原法或生物質催化法制備的石墨烯含有大量官能團(羧基、羥基、環氧等表面官能團), 作為導電劑導電性下降很多數量級,不推薦用作導電劑。


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  石墨烯的分散問題:

 

  考慮到以上兩種導電劑的分散性的問題,目前市場化應用的碳納米管和石墨烯都是以預分散導電漿料的方式提供的。

 

  石墨烯Or碳納米管?

 

  性能對比:

 

  1.石墨烯電極擁有更小的極片電阻

  2.石墨烯電極可以做到更大的壓實密度

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  3.循環性能

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  4.價格對比:

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  未來石墨烯導電劑在應用上還是很有前景的

 

  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。


本文來自:高工鋰電網


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