一、為什么要在鋰離子電池材料中添加導(dǎo)電添加劑？

　　高性能鋰離子電池具備能量密度高、比功率高、工作溫度范圍寬、安全性高、充放電速率快、使用壽命長、價格便宜等優(yōu)點。我國在新能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃中明確提出，到2020年，鋰離子電池單體能量密度≥300 Wh/kg，循環(huán)壽命≥1500次，成本≤0.8元/Wh，安全性能達到國標(biāo)要求。在《中國制造2025》明確提出，2020年動力鋰離子電池電芯能量密度期望達到350Wh/kg。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，技術(shù)人員仍在不斷探索尋找高性能的電池材料，優(yōu)化電池材料體系和生產(chǎn)工藝。因此選用合適的導(dǎo)電添加劑對優(yōu)化提升鋰離子電池綜合性能具有關(guān)鍵作用。

某款三元軟包鋰離子電池材料成本分布圖

　　雖然導(dǎo)電添加劑在鋰離子電池中的用量很少，在材料成本中占比一般小于5%，但卻是鋰離子電池生產(chǎn)中不可缺少的關(guān)鍵材料之一，特別是在動力型鋰離子電池的大電流充放電過程中具有十分重要的作用。之所以在電極中添加合適的導(dǎo)電添加劑，最根本的原因就是為了改善電極活性物質(zhì)導(dǎo)電性能較差的狀況，實現(xiàn)提高電極的導(dǎo)電性能、嵌鋰容量，降低電池內(nèi)阻，減少極化，以提高電池的綜合性能。

　　二、常見導(dǎo)電添加劑的特性和作用機理

　　鋰離子電池用導(dǎo)電劑可以分為傳統(tǒng)導(dǎo)電添加劑（如導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電炭黑、碳纖維等）和新型導(dǎo)電添加劑（如碳納米管、石墨烯、復(fù)合導(dǎo)電漿料等）。市面上常見的導(dǎo)電劑有KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、SPUER Li、S-O、350G、乙炔黑（AB）、科琴黑（KB）、氣相生長碳纖維（VGCF）、碳納米管（CNT）、石墨烯等。幾種代表性的導(dǎo)電添加劑關(guān)鍵性能及優(yōu)缺點如下表。

　　下面，分別介紹這幾種導(dǎo)電添加劑的特性和作用機理。

　　1、導(dǎo)電石墨

導(dǎo)電石墨

　　導(dǎo)電石墨基本為人造石墨，其粒徑接近正極活性物質(zhì)的粒徑。用在負(fù)極中，不僅可以提高電極的導(dǎo)電性，而且可以提高負(fù)極的容量。市面上常見石墨導(dǎo)電劑有KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15等。

　　導(dǎo)電石墨的粒徑一般為3-6μm，與活性物質(zhì)的粒徑相當(dāng)，與負(fù)極材料人造石墨相比，孔隙度及比表面積更高，具有較好的導(dǎo)電性能。顆粒之間點接觸，可以構(gòu)成一定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于改善極片顆粒的壓實以及提高離子和電子的導(dǎo)電率。同時，導(dǎo)電石墨具有更好的壓縮性和分散性，可以提高電池的體積能量密度，改善極片的工藝特性。在實際使用中，導(dǎo)電石墨一般配合導(dǎo)電炭黑使用。

　　2、導(dǎo)電炭黑

導(dǎo)電炭黑

　　導(dǎo)電炭黑的粒徑一般在30nm左右，比表面積大，導(dǎo)電性能好，吸液、保液性能強，但具有較強的吸油性，分散性能差。在實際生產(chǎn)中，需要通過改善活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑的混料工藝來提高其分散性。炭黑含量需控制在一定范圍內(nèi)，通常是1.5％以下，可與導(dǎo)電石墨搭配使用起到更好的功效。

　　3、碳纖維

碳纖維

　　導(dǎo)電碳纖維具有線性結(jié)構(gòu)，直徑一般在100nm左右，長度一般達到幾μm到幾十μm，長徑比較大，具有較高的彎曲模量和較低的熱膨脹系數(shù)，添加到電極材料中可以提高極片的柔韌性和機械穩(wěn)定性。線性結(jié)構(gòu)的碳纖維與活性物質(zhì)的接觸形式為點線接觸，碳纖維起到了“導(dǎo)線”的作用，活性物質(zhì)顆粒之間形成大量的導(dǎo)電接觸位點，在電極中容易形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性。碳纖維良好的導(dǎo)熱性能有助于電池充放電時的散熱，從而減輕電極極化，降低電池內(nèi)阻及改善電池高低溫和循環(huán)性能。同時，使用碳纖維作為導(dǎo)電添加劑，還能降低導(dǎo)電添加劑的用量，有利于提高電池容量。但是，由于碳纖維直徑小、長徑比大，在范德華力（van der Waals force）的作用下，極易發(fā)生團聚，影響其導(dǎo)電效果。

　　4、碳納米管

碳納米管

　　碳納米管可以分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT的管徑為0.75-3nm，長度為1-50μm。MWCNT的管徑為2-30nm，長度為0.1-50μm，層數(shù)2-50層。利用碳納米管作為導(dǎo)電添加劑與碳纖維的作用相似。碳納米管難以分散的問題是影響其在實際應(yīng)用中的重要課題，目前可以通過高速剪切、添加分散劑、做成分散漿料、超細磨珠靜電分散等工藝解決。

　　5、石墨烯

石墨烯

　　石墨烯既輕又薄，作為新型導(dǎo)電添加劑，能夠完美解決添加量與高能量密度之間的矛盾。由于石墨烯具有獨特的片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點面接觸而不是常規(guī)的點點接觸或點線接觸形式，這樣就可以最大化發(fā)揮導(dǎo)電添加劑的作用，還能減少導(dǎo)電添加劑的用量，從而可以提升活性物質(zhì)的用量，提升鋰電池容量。石墨烯具有很高的電子導(dǎo)電性能，有利于改變電池導(dǎo)電性能，從而提高循環(huán)性能和倍率性能。而且具有良好的導(dǎo)熱性能，有利于改善電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，提升電池的安全性能。此外其優(yōu)秀的力學(xué)性能，非常有利于提升電極的壓實密度。但是，石墨烯作為導(dǎo)電添加劑也存在幾個問題需要解決。一是離子位阻效應(yīng)，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)對離子運輸具有阻礙作用，尤其是在大容量大電流應(yīng)用中體現(xiàn)得更加明顯。二是在活性物質(zhì)中分散困難，易沉降。三是成本較高，不利于降低電池生產(chǎn)成本。

　　6、復(fù)合導(dǎo)電添加劑

　　復(fù)合導(dǎo)電添加劑是將導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯這幾種導(dǎo)電添加劑按性能互補原則進行組合形成二元、三元或多元的復(fù)合添加劑。由前述可知，沒有任何一種導(dǎo)電添加劑能夠完美滿足鋰離子電池性能的全部要求，因此，技術(shù)人員希望將不同種類的導(dǎo)電添加劑按一定比例進行混合使用，希望起到1+1>2的效果。比如，研發(fā)人員在硅碳電池體系中加入導(dǎo)電炭黑與碳納米管的復(fù)合導(dǎo)電添加劑，導(dǎo)電炭黑很好地發(fā)揮了吸液、保液效能的同時，碳納米管很好地發(fā)揮了提升導(dǎo)電性的效能，從而提升了電池的循環(huán)性能。

　　三、如何選用合適的導(dǎo)電添加劑

　　不同的導(dǎo)電添加劑有各自不同的形態(tài)和性能特點，在選擇導(dǎo)電添加劑的時候，我們需要綜合考慮電池的化學(xué)體系、能量密度、倍率性能、循環(huán)性能、生產(chǎn)成本等需求因素。同時，采用合理的勻漿工藝，確保漿料穩(wěn)定性以及導(dǎo)電添加劑均勻地分布在電極活性物質(zhì)表面，從而最大程度發(fā)揮出導(dǎo)電添加劑對鋰離子電池性能的改善和優(yōu)化效能。

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