锂电池正极材料表面充放电过程中导电剂的作用

锂电池正极材料表面充放电过程中导电剂的作用

编者注

锂电池在正极材料表面的充放电过程是，电池放电时，孔隙中的锂离子进入正极活性物质，如果电流增大，极化加剧，放电变得困难，这样电子之间的导电性较差，单靠活性物质本身的导电性是远远不够的。为了保证电极有良好的充放电性能，通常在制作电极片时要加入一定量的导电剂，以收集活性物质与集流体之间的微电流。

随着锂电池越来越广泛的商业化，锂电池在正极材料表面的充放电过程是，电池放电时，孔隙中的锂离子进入正极活性物质，如果电流增大，极化加剧，放电变得困难，这样电子之间的导电性较差，单靠活性物质本身的导电性是远远不够的。为了保证电极有良好的充放电性能，通常在制作电极片时要加入一定量的导电剂，以收集活性物质与集流体之间的微电流。

导电剂概述

锂离子电池主要使用的导电材料有常规导电剂SUPER-P、KS-6、导电石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维VGCF等，这些导电剂各有优缺点。具体来说：

导电剂的应用

目前锂离子电池中最主要的导电剂可分为导电炭黑、导电石墨和新型导电剂。

炭黑是目前应用最广泛的导电剂，主要由有机物（天然气、重油等）不完全燃烧或热分解而得，并经高温处理以提高其导电性和纯度。

石墨导电剂基本都是人造石墨，与用作负极材料的人造石墨相比，用作导电剂的人造石墨粒径更小，一般为3~6μm，且孔隙和比表面积更为发达，有利于电极颗粒的致密化和离子、电子电导率的提高。新型导电剂有碳纳米管（CNT）、碳纤维（VGCF）、石墨烯等。以下是一些常见导电剂的理化参数对比：

1. SP

目前，我国锂离子电池导电剂仍以常规导电剂SP为主。炭黑具有较好的离子和电子导电性，由于炭黑具有较大的比表面积，有利于电解液的吸附，提高离子导电性。另外，原生炭粒子团聚形成枝状结构，可以与活性物质形成链状导电结构，有助于提高材料的电子导电性。

2.石墨导电剂

其基本都是人造石墨，相比负极材料人造石墨，作为导电剂的人造石墨粒径更小，有利于电极颗粒的致密化，以及离子和电子电导率的提高。

3. CNT导电剂

在高端数码电池领域的应用比例高达50%以上，而在动力电池领域的应用比例相对较低，但近年来随着动力电池对能量密度、倍率性能、循环寿命等性能要求的逐步提高，CNT导电剂在该领域的应用比例正在逐步提高。

4. 凯琴黑

科琴黑只需要极低的添加量就能达到极高的导电性，因此科琴黑一直是导电炭黑中的佼佼者，长期处于市场领先地位。与电池中使用的其他导电炭黑相比，科琴黑具有独特的支链形态。这种形态的好处是导体具有许多导电接触点，分支形成更多的导电通路，因此只需要很少的添加量就能达到极高的导电性（其他炭黑多为球状或片状，因此需要很高的添加量才能达到所需的电性能）。

科琴黑是尖端的超导电炭黑，目前全球前十大锂电池厂商基本都在使用或测试其产品。EC-300J主要应用于镍氢、镍镉电池；ECP、ECP-600JD主要应用于高倍率、大容量、大电流密度锂电池，其中ECP-600JD尤为突出。业界普遍认为，其优越的导电性、较高的纯度以及独特的支链结构，将在铁锂作为正极材料的时代脱颖而出。

电池中使用的 黑色产品有两种：ECP 和。

导电剂含量

a)导电剂在电极中的作用是为电子的移动提供通道，合适的导电剂含量可以获得较高的放电容量和较好的循环性能。含量过低，电子导电通道少，不利于大电流充放电；含量过高，活性物质相对含量降低，会降低电池容量。

b)导电剂的存在会影响电解液在电池体系中的分布。由于锂离子电池的空间限制，注入的电解液量有限，且一般呈贫液状态。电解液是电池体系内部连接正负极的离子，它的分布对锂离子在液相中的迁移和扩散有着至关重要的影响。

当某一电极中导电剂含量过高时，会导致电解液在此电极中富集，使另一电极处的锂离子传输过程变慢，造成极化程度较高，经过多次循环后容易失效，从而影响电池的整体性能。

C）导电剂的含量达到一个转折点就好了，过多只会降低电极密度，降低容量，过少又会导致电极中活性物质的利用率低，高倍率放电性能下降。

发展趋势

导电剂的发展将集中在以下四个方面：

（1）导电剂在水性体系和NMP有机溶剂中都应具有良好的分散性；

（2）与高导电性碳纳米管、石墨烯等新型碳材料复合，减少导电剂比例，提高性能；

（3）增加比表面积和电解液吸附容量，进一步提高电极的离子电导率。

（4）无论是碳纳米管，还是石墨烯复合材料，与传统材料相比，都迫切需要降低成本才能满足实际需要。

导电剂的前景

据分析，碳纳米管和石墨烯均可制成导电浆料，价格远高于普通炭黑SP。炭黑是一种非常成熟的导电剂，价格比较稳定，未来随着规模效应的提升，CNT和石墨烯价格都有比较大的降价空间，未来应用前景看好。

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