导电添加剂在锂离子电池中的应用
一、为什么要在锂离子电池材料中添加导电添加剂?
高性能锂离子电池具备能量密度高、比功率高、工作温度范围宽、安全性高、充放电速率快、使用寿命长、价格便宜等优点。我国在新能源“十三五”发展规划中明确提出,到2020年,锂离子电池单体能量密度≥300 Wh/kg,循环寿命≥1500次,成本≤0.8元/Wh,安全性能达到国标要求。在《ZG制造2025》明确提出,2020年动力锂离子电池电芯能量密度期望达到350Wh/kg。为了实现上述目标,技术人员仍在不断探索寻找高性能的电池材料,优化电池材料体系和生产工艺。因此选用合适的导电添加剂对优化提升锂离子电池综合性能具有关键作用。
![](http://yiqi-oss.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliyun/2090/CompanyNews/20201105-11559028345fa361d24fa4d.png)
某款三元软包锂离子电池材料成本分布图
虽然导电添加剂在锂离子电池中的用量很少,在材料成本中占比一般小于5%,但却是锂离子电池生产中不可缺少的关键材料之一,特别是在动力型锂离子电池的大电流充放电过程中具有十分重要的作用。之所以在电极中添加合适的导电添加剂,Z根本的原因就是为了改善电极活性物质导电性能较差的状况,实现提高电极的导电性能、嵌锂容量,降低电池内阻,减少极化,以提高电池的综合性能。
二、常见导电添加剂的特性和作用机理
锂离子电池用导电剂可以分为传统导电添加剂(如导电石墨、导电炭黑、碳纤维等)和新型导电添加剂(如碳纳米管、石墨烯、复合导电浆料等)。市面上常见的导电剂有KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、SPUER Li、S-O、350G、乙炔黑(AB)、科琴黑(KB)、气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、石墨烯等。几种代表性的导电添加剂关键性能及优缺点如下表。
![](http://yiqi-oss.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliyun/2090/CompanyNews/20201105-11559028345fa361d287242.png)
下面,分别介绍这几种导电添加剂的特性和作用机理。
1、导电石墨
![](http://yiqi-oss.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliyun/2090/CompanyNews/20201105-11559028345fa361d2c07e5.png)
导电石墨
导电石墨基本为人造石墨,其粒径接近正极活性物质的粒径。用在负极中,不仅可以提高电极的导电性,而且可以提高负极的容量。市面上常见石墨导电剂有KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15等。
导电石墨的粒径一般为3-6μm,与活性物质的粒径相当,与负极材料人造石墨相比,孔隙度及比表面积更高,具有较好的导电性能。颗粒之间点接触,可以构成一定的导电网络结构,有利于改善极片颗粒的压实以及提高离子和电子的导电率。同时,导电石墨具有更好的压缩性和分散性,可以提高电池的体积能量密度,改善极片的工艺特性。在实际使用中,导电石墨一般配合导电炭黑使用。
2、导电炭黑
![](http://yiqi-oss.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliyun/2090/CompanyNews/20201105-11559028345fa361d307be1.png)
导电炭黑
导电炭黑的粒径一般在30nm左右,比表面积大,导电性能好,吸液、保液性能强,但具有较强的吸油性,分散性能差。在实际生产中,需要通过改善活性物质、导电剂的混料工艺来提高其分散性。炭黑含量需控制在一定范围内,通常是1.5%以下,可与导电石墨搭配使用起到更好的功效。
3、碳纤维
碳纤维
导电碳纤维具有线性结构,直径一般在100nm左右,长度一般达到几μm到几十μm,长径比较大,具有较高的弯曲模量和较低的热膨胀系数,添加到电极材料中可以提高极片的柔韧性和机械稳定性。线性结构的碳纤维与活性物质的接触形式为点线接触,碳纤维起到了“导线”的作用,活性物质颗粒之间形成大量的导电接触位点,在电极中容易形成良好的导电网络,表现出较好的导电性。碳纤维良好的导热性能有助于电池充放电时的散热,从而减轻电极极化,降低电池内阻及改善电池高低温和循环性能。同时,使用碳纤维作为导电添加剂,还能降低导电添加剂的用量,有利于提高电池容量。但是,由于碳纤维直径小、长径比大,在范德华力(van der Waals force)的作用下,极易发生团聚,影响其导电效果。
4、碳纳米管
![](http://yiqi-oss.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/aliyun/2090/CompanyNews/20201105-11559028345fa361d4ec4bd.png)
碳纳米管
碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)。SWCNT的管径为0.75-3nm,长度为1-50μm。MWCNT的管径为2-30nm,长度为0.1-50μm,层数2-50层。利用碳纳米管作为导电添加剂与碳纤维的作用相似。碳纳米管难以分散的问题是影响其在实际应用中的重要课题,目前可以通过高速剪切、添加分散剂、做成分散浆料、超细磨珠静电分散等工艺解决。
5、石墨烯
石墨烯
石墨烯既轻又薄,作为新型导电添加剂,能够解决添加量与高能量密度之间的矛盾。由于石墨烯具有独特的片状结构,与活性物质的接触为点面接触而不是常规的点点接触或点线接触形式,这样就可以发挥导电添加剂的作用,还能减少导电添加剂的用量,从而可以提升活性物质的用量,提升锂电池容量。石墨烯具有很高的电子导电性能,有利于改变电池导电性能,从而提高循环性能和倍率性能。而且具有良好的导热性能,有利于改善电池内部的热传导,提升电池的安全性能。此外其优秀的力学性能,非常有利于提升电极的压实密度。但是,石墨烯作为导电添加剂也存在几个问题需要解决。一是离子位阻效应,石墨烯的片层结构对离子运输具有阻碍作用,尤其是在大容量大电流应用中体现得更加明显。二是在活性物质中分散困难,易沉降。三是成本较高,不利于降低电池生产成本。
6、复合导电添加剂
复合导电添加剂是将导电石墨、导电炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯这几种导电添加剂按性能互补原则进行组合形成二元、三元或多元的复合添加剂。由前述可知,没有任何一种导电添加剂能够WM满足锂离子电池性能的全部要求,因此,技术人员希望将不同种类的导电添加剂按一定比例进行混合使用,希望起到1+1>2的效果。比如,研发人员在硅碳电池体系中加入导电炭黑与碳纳米管的复合导电添加剂,导电炭黑很好地发挥了吸液、保液效能的同时,碳纳米管很好地发挥了提升导电性的效能,从而提升了电池的循环性能。
三、如何选用合适的导电添加剂
不同的导电添加剂有各自不同的形态和性能特点,在选择导电添加剂的时候,我们需要综合考虑电池的化学体系、能量密度、倍率性能、循环性能、生产成本等需求因素。同时,采用合理的匀浆工艺,确保浆料稳定性以及导电添加剂均匀地分布在电极活性物质表面,从而ZDCD发挥出导电添加剂对锂离子电池性能的改善和优化效能。
全部评论(0条)
推荐阅读
-
- 扫描电镜在锂离子电池中的应用
- 随着全 球新能源产业的发展,新能源汽车逐渐成为锂离子电池的大需求产业,推动了动力锂离子电池产业链的快速发展。
-
- 激光粒度仪在导电剂表征中的应用
- 随着节能减炭的兴起和能源结构的调整,锂离子电池作为新能源汽车和储能设施的核心部件之一受到了越来越多的关注。
-
- 手持式光谱仪在锂离子电池回收中的应用
- 随着全球对电动汽车的需求加速增长,人们对高性能锂离子(Li-ion)电池的需求也在不断增加。虽然在转向更可持
-
- 【内含PDF】扫描电镜在锂离子电池中的应用
- 锂离子电池(LIB)是21世纪以来最为热门的储能器件之一,具有能量密度高、单体输出电压高、循环性能优越、可快速充放电和使用寿命长等优点,被广泛应用于消费电子产品、电动汽车和新能源电站的储能电源系统等。
-
- 电子顺磁共振(EPR)技术在锂离子电池中的应用
- 锂离子电池主要由四部分构成:正极、负极、电解液和隔膜。其主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动(嵌入与脱嵌)进行工作。
-
- 锂离子电池中石墨的扫描电镜分析
- 通过使用 Phenom XL 的专用自动扫描软件,研究人员可以显著缩短这些实验的时间。Phenom XL 让研究人员经过简单培训后即可亲自进行分析。
-
- 色谱分析技术在材料研发中心的应用 — 电镀添加剂的色谱分析
- 快来看看沃特世战略合作伙伴“禾川化学”利用UHPLC和APC的技术,对电镀液添加剂的配方分析的思路吧!
-
- 在锂离子电池回收中使用便携式XRF分析仪识别金属
- 在锂离子电池回收中使用便携式XRF分析仪识别金属
-
- 数码显微镜在法医学中的应用
- 数码显微镜在法医学中的应用
①本文由仪器网入驻的作者或注册的会员撰写并发布,观点仅代表作者本人,不代表仪器网立场。若内容侵犯到您的合法权益,请及时告诉,我们立即通知作者,并马上删除。
②凡本网注明"来源:仪器网"的所有作品,版权均属于仪器网,转载时须经本网同意,并请注明仪器网(www.yiqi.com)。
③本网转载并注明来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
④若本站内容侵犯到您的合法权益,请及时告诉,我们马上修改或删除。邮箱:hezou_yiqi
最新话题
最新资讯
- 支付宝研发独立AI APP加速布局AI赛道 服务平台加入AI赛道对仪器智能化发展的启示
- 北京全力支持设备与消费以旧换新行动推进首都经济圈高质量发展 仪器行业如何针对性布局?
- 中国成功研制新材料可延长质子交换膜电解槽制氢寿命 对相关仪器发展有何意义?
- 工信部启动设备大规模数字化改造 或拉动工业软件景气度上升 仪器行业如何抓住机遇升级换代?
- 光伏行业持续实现量增价减企业盈利能力好转 相关仪器如何跟随复苏?
- 市场监管局发布食品安全风险管控清单 食品风险颇受关注相关仪器能否加快发展?
- 华为珠峰超级充电站发布在即 西部大开发叠加充电基础设施建设是否值得仪器行业重点布局?
- 截至7月全国规模以上仪器仪表制造业总利润达533.3亿同比增长1.4% 行业发展展望分析
- 工信部开展人工智能赋能工业典型案例征集工作 仪器行业结合智能助推工业发展要注意什么?
- 中国极地研究中心发布南极清洁能源利用技术十二年发展纲要 仪器行业如何参与建设?
作者榜
参与评论
登录后参与评论