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炭黑、碳纳米管or石墨烯?锂离子电池各种导电剂对比浅析
时间: 2019/5/13 9:44:47

中国粉体网讯  就目前商品化锂离子电池体系来说,限制性能的因素主要来源于导电性能,尤其是正极材料的导电性能不足直接限制了电化学反应的活性,需要加入适宜的导电剂提升材料的导电性,构建导电网络,为电子传输提供快速通道,保证活性物质得到充分利用,所以相对于活性物质,导电剂同样是锂离子电池中的一种不可或缺的材料。

导电剂的性能很大程度上取决于材料的结构和其与活性物质接触的方式。常用的锂离子电池导电剂具有如下特性:

(1)炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的,颗粒细、网状链堆积紧密、比表面积大、单位质量颗粒多,有利于在电极中形成链式导电结构。作为传统导电剂的代表,炭黑是目前使用最为广泛的导电剂。缺点是价格高,难以分散。

(2)导电石墨的特点是粒径接近正负极活性物质的粒径,比表面积适中,导电性良好,它在电池中充当导电网络的节点,在负极中,它不仅可以提高电极的导电性,而且可以提高负极的容量。

(3)Super P-Li的特点是粒径小,和导电碳黑差不多,但是比表面积适中,特别是它在电池中以支链形式存在,对行成导电网络十分有利,缺点是难以分散。

(4)碳纳米管是近几年兴起的导电剂,它一般管径在5纳米左右,长度在10-20微米,不仅能够在导电网络中充当“导线”的作用,同时它还具有双电层效应,发挥超级电容器的高倍率特性,其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热,减少电池的极化,提高电池的高低温性能,延长电池的寿命。

碳纳米管作为导电剂,可与各种正极材料搭配使用,提高材料/电池的容量、倍率、循环等性能。可搭配的正极材料包括:LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、聚合物正极、Li3V2(PO4)3、锰氧化物等。

相比其它常见的导电剂,如碳黑、乙炔黑、碳纤维等,碳纳米管作为锂离子电池正负极导电剂有许多优点。碳纳米管具有很高的理论电导率,纯化后的碳纳米管室温下电导率超过5×105S/cm。此外,碳纳米管具有巨大的长径比,较低添加量就能达到类似于其它添加剂的渗流阈值(维持化合物中电子远距离或局域迁移的含量)。由于碳纳米管能形成高效电子传输网络,仅0.2wt%的SWNTs添加量,即可达到与球形颗粒添加剂类似的电导值。

(5)石墨烯作为一种新型的二维柔性平面炭材料,有着优良的导电性和导热性。这种结构使得石墨烯片层可以附着在活性物质颗粒上,为正负极活性物质颗粒提供大量的导电接触位点,使电子能够在二维空间内传导,构成一个大面积的导电网络,所以也被看作当前理想的导电剂。

炭黑和活性物质间为点点接触,可以渗入活性物质的颗粒间,充分增加活性物质的利用率,碳纳米管为点线接触,可以在活性物质间穿插形成网状结构,不仅增加导电性,同时还可以充当部分黏结剂的作用,而石墨烯的接触方式为点面接触,可以将活性物质表面连接起来,作为主体,形成一个大面积的导电网络,但是却难以使活性物质被完全覆盖,即使继续增加石墨烯的添加量也难以完全利用活性物质,还会造成Li离子扩散困难,使电极性能下降。所以这三者有着良好的互补趋势,将炭黑或者碳纳米管与石墨烯混合构建一个更完善的导电网络,可以进一步提升电极的综合性能。

另外,从石墨烯角度来说,不同制备方法得到的石墨烯性能有很大的差别,其还原程度、片层大小及和炭黑配比,使用时的分散性、电极厚度等都对导电剂的性质有着很大的影响。其中,由于导电剂的作用是构建电子传输的导电网络,如果导电剂本身不能很好地分散,则难以构建有效的导电网络。相对于传统炭黑导电剂来说,石墨烯有着2600m 2/g的超高比表面积,以及π-π共轭的作用使其在实际应用过程中更加易于团聚。所以如何使石墨烯形成良好的分散体系,充分利用石墨烯的优良性能,是石墨烯广泛应用亟需解决的一个关键问题。

小结:

当前电动汽车的电池续航里程不足以及充电速度慢造成使用体验仍然不如传统汽车。使用导电剂提升电极导电性及电化学反应速度,从而提升单位时间内锂离子脱嵌及嵌入的量,从而实现快速充电,是解决以上问题的办法之一。通过添加更加优质的导电剂可以有效提升充电速度,从而解决充电慢的问题,一定程度上可以改善用户体验。

 
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