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炭黑、碳纳米管、石墨烯,导电剂种类如此多,如何防止挑花眼?


来源:中国粉体网   墨玉

[导读]  导电剂是为了保证电极具有良好的充放电性能,在极片制作时通常加入一定量的导电物质,在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用,以减小电极的接触电阻加速电子的移动速率,同时也能有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率,从而提高电极的充放电效率。

中国粉体网讯  导电剂是为了保证电极具有良好的充放电性能,在极片制作时通常加入一定量的导电物质,在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用,以减小电极的接触电阻加速电子的移动速率,同时也能有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率,从而提高电极的充放电效率。


几种导电剂


炭黑是目前使用最为广泛的导电剂。目前电池工业用导电炭黑的电导率为0.2~0.5S/cm。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。


碳纳米管具有特殊的一维纤维状结构,结晶度高,有着较高的导电性、导热性和机械强度,一直以来受到各国研究者的关注。由于碳纳米管在管壁间存在着离域大π键,因此碳纳米管的轴向导电性远远高于炭黑。


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,为电极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。



石墨烯的主要物理化学特性


石墨烯导电剂的四大优势


石墨烯作为一种先进的新材料,应用十分广泛,用作导电剂具有“至柔至薄至密”的特点,主要有以下4点优势:


1电子电导率高,使用很少量的石墨烯就可以有效降低电池内部的欧姆极化;


2二维片层结构,与零维的碳黑颗粒和一维碳纳米管相比,石墨烯可以和活性物质实现“面-点”接触,具有更低的导电阈值,并且可以从更大的空间跨度上在极片中构建导电网络,实现整个电极上的“长程导电”(不同制备方法制备得到的石墨烯材料尺寸有所区别);


3超薄特性,石墨烯是典型的表面性固体,相较于具有多sp2碳层的碳黑、导电石墨和多壁碳纳米管,石墨烯上所有碳原子都可以暴露出来进行电子传递,原子利用效率高,故可以在最少的使用量下构成完整的导电网络,提高电池的能量密度;


4高柔韧性,能够与活性物质良好接触,缓冲充放电过程中活性物质材料出现的体积膨胀收缩,抑制极片的回弹效应,保证电池良好的循环性能。


如何选择导电剂


导电剂的材料、形貌、粒径、搅拌顺序、添加量与不同类型导电剂的复合状态都对锂离子电池有着不同方面的影响。在进行锂离子电池设计时我们应根据不同的活性物质材料、不同目的(改善倍率性能、循环性能、提高不可逆比容量)而选取与之相匹配的导电剂。我们应该综合各种导电剂的优缺点并加以复合补其短板。在实际生产应用过程中,最重要的是需要考虑成本问题,在达到相应的要求时应尽量地减少成本,与此同时复合导电剂的添加将会较大地改善电池的各方面的性能。


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专家简介


刘刚桥,宁波杉元石墨烯科技有限公司研发总监,从事石墨烯应用开发研究11年,曾在日企工作期间因研究石墨烯的突出贡献而获得上海市劳模。


参考来源:

刘宗哲.石墨烯导电剂的研究和展望

苏方远.用于锂离子电池的石墨烯导电剂:缘起、现状及展望

陈志金.锂离子电池导电剂的研究进展


(中国粉体网编辑整理/墨玉)

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