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石墨烯、碳纳米管、炭黑、石墨,谁能成为锂电池导电剂No1?




小烯导读

本篇主要介绍用于锂电里的碳材料另一个大的应用方向----导电剂。当前锂离子电池中最为主要的导电剂,可分为导电炭黑,导电石墨和新型导电剂如石墨烯和碳纳米管等。各种导电剂的优势和缺点分别是什么?哪一种将成为未来的主流呢?



本篇主要介绍用于锂电里的碳材料另一个大的应用方向----导电剂。当前锂离子电池中最为主要的导电剂,可分为导电炭黑,导电石墨和新型导电剂如石墨烯和碳纳米管等。各种导电剂的优势和缺点分别是什么?哪一种将成为未来的主流呢?


炭黑是目前使用最为广泛的导电剂, 主要采用有机物(天然气、重油等)不完全燃烧或受热分解而得到, 并通过高温处理以提高其导电性与纯度。


石墨导电剂基本为人造石墨, 与负极材料人造石墨相比, 作为导电剂的人造石墨具有更小的颗粒度, 一般为3~6 μm,且孔隙和比表面更发达, 有利于极片颗粒的压实以及改善离子和电子电导率。


新型导电剂包括碳纳米管(CNT),碳纤维(VGCF),石墨烯等。以下是一些常见的导电剂理化参数对比:

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导电机理分析



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目前应用最广泛的还是传统类型的导电剂。

石墨和炭黑

下图对比了石墨和炭黑性能的对比(灰色-石墨)

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可以看出:

1.炭黑具有更好的离子和电子导电能力,因为炭黑具有更大的比表面积, 所以有利于电解质的吸附而提高离子电导率。另外, 炭一次颗粒团聚形成支链结构, 能够与活性材料形成链式导电结构, 有助于提高材料的电子导电率。 

2.石墨具有更好的压缩性和分散性,可提高电池的体积能量密度和改善极片的工艺特性, 一般配合炭黑使用。


下面着重介绍下碳纳米管和石墨烯类复合导电剂

碳纳米管

作为导电剂与炭黑配合使用,与导电炭黑和导电石墨相比, 碳纳米管导电剂具有如下特点:

(1) 碳纳米管具有良好的电子导电性,纤维状结构能够在电极活性材料中形成连续的导电网络。

(2) 添加碳纳米管后极片有较高的韧性, 能改善充放电过程中材料体积变化而引起的剥落, 提高循环寿命. 

(3) 碳纳米管可大幅度提高电解液在电极材料中的渗透能力.

(4) 碳纳米管的主要缺点在于不易分散


石墨烯

作为导电剂的效果与其加入量密切相关. 在加入量较小的情况下, 石墨烯由于能够更好地形成导电网络, 效果远好于导电炭黑。


但是片层较厚的石墨烯会阻碍锂离子的扩散而降低极片的离子电导率(一般认为6-9层最为适宜)

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石墨烯官能团的影响:

通过氧化还原法或生物质催化法制备的石墨烯含有大量官能团(羧基、羟基、环氧等表面官能团), 作为导电剂导电性下降很多数量级,不推荐用作导电剂。

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石墨烯的分散问题:

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考虑到以上两种导电剂的分散性的问题,目前市场化应用的碳纳米管和石墨烯都是以预分散导电浆料的方式提供的。

石墨烯Or碳纳米管?

性能对比:

1.石墨烯电极拥有更小的极片电阻

2.石墨烯电极可以做到更大的压实密度

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3.循环性能

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4.价格对比:

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未来石墨烯导电剂在应用上还是很有前景的。
发展趋势

导电剂的开发将集中在以下4个方面: 

(1) 在水性体系中还是在NMP有机体系溶剂中, 导电剂都应具有良好的分散性;

(2) 与高导电性的碳纳米管、石墨烯等新型炭材料复合, 以降低导电剂的使用比例和提高性能;

(3) 提高比表面积和电解液吸附能力, 进一步提高极片的离子电导率。

(4)无论是碳纳米管还是石墨烯复合材料, 与传统的材料比, 亟需降低成本,以满足实际需求。

注:本文转载自听风扯淡,感谢寻风的支持。

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