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炭黑、碳納米管or石墨烯?鋰離子電池各種導電劑對比淺析
時間: 2019/5/13 9:44:47

中國粉體網訊  就目前商品化鋰離子電池體系來說,限制性能的因素主要來源于導電性能,尤其是正極材料的導電性能不足直接限制了電化學反應的活性,需要加入適宜的導電劑提升材料的導電性,構建導電網絡,為電子傳輸提供快速通道,保證活性物質得到充分利用,所以相對于活性物質,導電劑同樣是鋰離子電池中的一種不可或缺的材料。

導電劑的性能很大程度上取決于材料的結構和其與活性物質接觸的方式。常用的鋰離子電池導電劑具有如下特性:

(1)炭黑的結構性是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度來表示的,顆粒細、網狀鏈堆積緊密、比表面積大、單位質量顆粒多,有利于在電極中形成鏈式導電結構。作為傳統導電劑的代表,炭黑是目前使用最為廣泛的導電劑。缺點是價格高,難以分散。

(2)導電石墨的特點是粒徑接近正負極活性物質的粒徑,比表面積適中,導電性良好,它在電池中充當導電網絡的節點,在負極中,它不僅可以提高電極的導電性,而且可以提高負極的容量。

(3)Super P-Li的特點是粒徑小,和導電碳黑差不多,但是比表面積適中,特別是它在電池中以支鏈形式存在,對行成導電網絡十分有利,缺點是難以分散。

(4)碳納米管是近幾年興起的導電劑,它一般管徑在5納米左右,長度在10-20微米,不僅能夠在導電網絡中充當“導線”的作用,同時它還具有雙電層效應,發揮超級電容器的高倍率特性,其良好的導熱性能還有利于電池充放電時的散熱,減少電池的極化,提高電池的高低溫性能,延長電池的壽命。

碳納米管作為導電劑,可與各種正極材料搭配使用,提高材料/電池的容量、倍率、循環等性能。可搭配的正極材料包括:LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、聚合物正極、Li3V2(PO4)3、錳氧化物等。

相比其它常見的導電劑,如碳黑、乙炔黑、碳纖維等,碳納米管作為鋰離子電池正負極導電劑有許多優點。碳納米管具有很高的理論電導率,純化后的碳納米管室溫下電導率超過5×105S/cm。此外,碳納米管具有巨大的長徑比,較低添加量就能達到類似于其它添加劑的滲流閾值(維持化合物中電子遠距離或局域遷移的含量)。由于碳納米管能形成高效電子傳輸網絡,僅0.2wt%的SWNTs添加量,即可達到與球形顆粒添加劑類似的電導值。

(5)石墨烯作為一種新型的二維柔性平面炭材料,有著優良的導電性和導熱性。這種結構使得石墨烯片層可以附著在活性物質顆粒上,為正負極活性物質顆粒提供大量的導電接觸位點,使電子能夠在二維空間內傳導,構成一個大面積的導電網絡,所以也被看作當前理想的導電劑。

炭黑和活性物質間為點點接觸,可以滲入活性物質的顆粒間,充分增加活性物質的利用率,碳納米管為點線接觸,可以在活性物質間穿插形成網狀結構,不僅增加導電性,同時還可以充當部分黏結劑的作用,而石墨烯的接觸方式為點面接觸,可以將活性物質表面連接起來,作為主體,形成一個大面積的導電網絡,但是卻難以使活性物質被完全覆蓋,即使繼續增加石墨烯的添加量也難以完全利用活性物質,還會造成Li離子擴散困難,使電極性能下降。所以這三者有著良好的互補趨勢,將炭黑或者碳納米管與石墨烯混合構建一個更完善的導電網絡,可以進一步提升電極的綜合性能。

另外,從石墨烯角度來說,不同制備方法得到的石墨烯性能有很大的差別,其還原程度、片層大小及和炭黑配比,使用時的分散性、電極厚度等都對導電劑的性質有著很大的影響。其中,由于導電劑的作用是構建電子傳輸的導電網絡,如果導電劑本身不能很好地分散,則難以構建有效的導電網絡。相對于傳統炭黑導電劑來說,石墨烯有著2600m 2/g的超高比表面積,以及π-π共軛的作用使其在實際應用過程中更加易于團聚。所以如何使石墨烯形成良好的分散體系,充分利用石墨烯的優良性能,是石墨烯廣泛應用亟需解決的一個關鍵問題。

小結:

當前電動汽車的電池續航里程不足以及充電速度慢造成使用體驗仍然不如傳統汽車。使用導電劑提升電極導電性及電化學反應速度,從而提升單位時間內鋰離子脫嵌及嵌入的量,從而實現快速充電,是解決以上問題的辦法之一。通過添加更加優質的導電劑可以有效提升充電速度,從而解決充電慢的問題,一定程度上可以改善用戶體驗。

 
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