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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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。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(dá)到國標(biāo)要求。在《中國制造2025》明確提出，2020年動(dòng)力鋰離子電池電芯能量密度期望達(dá)到350Wh/kg。為了實(shí)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(dòng)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(shí)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(diǎn)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(shí)以及提高離子和電子的導(dǎo)電率。同時(shí)，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(shí)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(qiáng)，但具有較強(qiáng)的吸油性，分散性能差。在實(shí)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(dá)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)，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(shí)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(shí)，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(tuán)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(shí)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(xì)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(dú)特的片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸為點(diǎn)面接觸而不是常規(guī)的點(diǎn)點(diǎn)接觸或點(diǎn)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(shí)密度。但是，石墨烯作為導(dǎo)電添加劑也存在幾個(gè)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(yùn)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(bǔ)原則進(jìn)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(jìn)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(shí)，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(diǎn)，在選擇導(dǎo)電添加劑的時(shí)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(shí)，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。