當(dāng)代生活已經(jīng)離不開(kāi)各種電子設(shè)備，而這些設(shè)備離不開(kāi)電池，其中大部分都是鋰離子電池。相比于其他類型電池，鋰離子電池具有低成本、環(huán)境友好、高比能量、無(wú)記憶效應(yīng)、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，因此已成為通訊設(shè)備、娛樂(lè)設(shè)備、電動(dòng)汽車、醫(yī)療設(shè)備等的重要組成部分。
鋰離子電池中，正極一般采用過(guò)渡金屬氧化物為活性材料，例如層狀鈷酸鋰、鎳酸鋰、鎳鈷酸鋰或磷酸鐵鋰等，負(fù)極則采用石墨、硅基材料等作為活性材料。不過(guò)由于這些正極材料的活性物質(zhì)導(dǎo)電性差，使得電極的內(nèi)阻較大，導(dǎo)致活性物質(zhì)的利用率低，嚴(yán)重影響了電池的性能；而硬碳、石墨等活性材料雖然導(dǎo)電性良好，但是在多次充放電循環(huán)過(guò)程中會(huì)發(fā)生膨脹收縮，導(dǎo)致活性材料之間產(chǎn)生不良接觸。因此為了提高活性物質(zhì)的利用率，改善電池性能，就需要選取具有優(yōu)良導(dǎo)電性、低密度、結(jié)構(gòu)及化學(xué)性能穩(wěn)定的材料添加至活性材料中，這些材料被稱為“導(dǎo)電劑”。
鋰離子電池的材料構(gòu)成
導(dǎo)電劑的首要作用是提高電子電導(dǎo)率，它作為鋰離子電池關(guān)鍵非主材之一，雖然在電池中所占的份量較少，但很大程度地影響著鋰離子電池的性能（電池循環(huán)性能、容量發(fā)揮、倍率性能）。在電池中，導(dǎo)電劑能在活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間起到收集微電流的作用，以減小電極的接觸電阻加速電子的移動(dòng)速率，同時(shí)也能有效地提高鋰離子在電極材料中的遷移速率，從而提高電極的充放電效率。
導(dǎo)電劑的類型很多，包括金屬系導(dǎo)電劑（銀粉、銅粉、鎳粉等）、金屬氧化物系導(dǎo)電劑（氧化錫、氧化鐵、氧化鋅等）、碳系導(dǎo)電劑（炭黑、石墨等）、復(fù)合導(dǎo)電劑（復(fù)合粉、復(fù)合纖維等）等。
但由于鋰離子電池中的導(dǎo)電劑不能參加電池中的氧化還原反應(yīng)，要有很高的抗酸堿腐蝕能力，因此金屬系和金屬氧化物系導(dǎo)電劑就這樣被PASS了。而碳系導(dǎo)電劑不僅能滿足上述條件，還具有低成本，質(zhì)量輕等特點(diǎn)，因此順理成章成為鋰離子電池中的主流導(dǎo)電劑類型。
和鋰離子電池電極材料一樣，導(dǎo)電劑也在不斷的進(jìn)化，從最早的炭黑材料，其特點(diǎn)是點(diǎn)狀導(dǎo)電劑，也可以稱作零維導(dǎo)電劑，主要通過(guò)顆粒之間的點(diǎn)接觸提高導(dǎo)電性；到后來(lái)，逐漸發(fā)展出了導(dǎo)電碳纖維和碳納米管這一類具有一維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電劑，由于其纖維狀結(jié)構(gòu)，增大了與電極材料顆粒的接觸，大大提高了電極的導(dǎo)電性，降低了極片電阻；到最近火熱的石墨烯材料，其二維的片層狀結(jié)構(gòu)能極大地增加電極顆粒之間的接觸，提高導(dǎo)電性，并降低導(dǎo)電劑的用量，提高鋰離子電池的能量密度。下面便來(lái)一起看看它們的功效差異。
炭黑是小顆粒碳和烴熱分解的生成物在氣相狀態(tài)下形成的熔融聚合物的總稱，是一種由球形納米級(jí)顆粒團(tuán)聚成多簇狀和纖維狀的團(tuán)聚物結(jié)構(gòu)，粒徑幾乎是導(dǎo)電石墨粒徑的十分之一。根據(jù)導(dǎo)電能力大小，可以分為導(dǎo)電炭黑、超導(dǎo)電炭黑和特導(dǎo)電炭黑。
油的吸附值(OAN)與原子的結(jié)構(gòu)性成正比例關(guān)系，OAN值越大，表示炭黑結(jié)構(gòu)度越高，容易形成難以破壞的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通道。越細(xì)的炭黑顆粒，其結(jié)構(gòu)度越高，炭黑顆粒之間形成的網(wǎng)狀鏈堆積越緊密，有利于在聚合物中形成鏈?zhǔn)綄?dǎo)電結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是OAN值高的導(dǎo)電炭黑對(duì)聚合物粘結(jié)劑、液態(tài)和聚合物電解質(zhì)的吸附能力比較強(qiáng)，分散性較差。
石墨導(dǎo)電劑基本為人造石墨，與負(fù)極材料人造石墨相北，作為導(dǎo)電劑的人造石黑具有更小的顆粒度，一般為3~6μm，且孔隙和比表面更發(fā)達(dá)，也具有較好的導(dǎo)電性，其本身顆粒較接近活物質(zhì)顆粒粒徑，顆粒與顆粒之間呈點(diǎn)接觸的形式，可以構(gòu)成一定規(guī)模的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利干改善極片顆粒的壓實(shí)以及提高離子和電子電導(dǎo)率，同時(shí)用于負(fù)極時(shí)更可提高負(fù)極容量。導(dǎo)電石墨具有更好的壓縮性和分散性，可提高電池的體積能量密度和改善極片的工藝特性，一般配合炭黑使用。
纖維狀導(dǎo)電劑主要包括碳纖維及碳納米管，碳納米管又可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管：
①碳纖維（VGCF）
導(dǎo)電碳纖維具有線性結(jié)構(gòu)，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，因而減輕電極極化，降低電池內(nèi)陰及改善電池性能。在碳纖維作為導(dǎo)電劑的電池內(nèi)部，活物質(zhì)與導(dǎo)電劑接觸形式為點(diǎn)線接觸，相于導(dǎo)電炭黑與導(dǎo)電石墨的點(diǎn)點(diǎn)接觸形式，不僅有利于提高電極導(dǎo)電性，更能降低導(dǎo)電劑用量，提高電池容量。另外，添加納米碳纖也能提高正負(fù)極導(dǎo)熱系數(shù)，利于散熱，所以VGCF很適合用作需要長(zhǎng)壽命、高輸出的汽車用鋰離子電池等的添加材料。
②碳納米管(CNT)
CNT可以分為單壁CNT和多壁CNT，一維結(jié)構(gòu)的碳納米管與纖維類似呈長(zhǎng)柱狀，內(nèi)部中空。碳納米管具有良好的電子導(dǎo)電性，纖維狀結(jié)構(gòu)能夠在電極活性材料中形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其與活物質(zhì)也是呈點(diǎn)線接觸形式，對(duì)于提高電池容量（提高極片壓實(shí)密度）、倍率性能、電池循環(huán)壽命和降低電池界面阻抗具有很大的作用。添加碳納米管后極片有較高的韌性，能改善充放電過(guò)程中材料體積變化而引起的剝落，提高循環(huán)壽命。碳納米管也可大幅度提高電解液在電極材料中的滲透能力。但由于CNT直徑小、長(zhǎng)徑比大，在范德華力的作用下，極易發(fā)生團(tuán)聚，影響其導(dǎo)電效果。因此，CNT作為鋰離子電池的導(dǎo)電劑，需要解決的主要問(wèn)題是CNT的分散性，要求其在漿料中要分散良好。
石墨烯是具有sp2雜化軌道的二維碳原子晶體，導(dǎo)電導(dǎo)熱性優(yōu)良。其單獨(dú)單獨(dú)作為負(fù)極材料時(shí)，雖然其初始容量較高，但是隨著充放電，電池的容量會(huì)快速衰減，所以它的應(yīng)用更多集中在作為導(dǎo)電劑添加，以提高導(dǎo)電性。
石墨烯作為新型導(dǎo)電劑時(shí)，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)接觸形式，這樣可以最大化的發(fā)揮導(dǎo)電劑的作用，減少導(dǎo)電劑的用量，從而可以多使用活性物質(zhì)，提升鋰電池容量。作為導(dǎo)電劑的效果與其加入量密切相關(guān).在加入量較小的情況下，石墨烯由于能夠更好地形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，效果遠(yuǎn)好于導(dǎo)電炭黑。但是片層較厚的石墨烯會(huì)阻礙鋰離子的擴(kuò)散而降低極片的離子電導(dǎo)率（一般認(rèn)為6-9層最為適宜）。
導(dǎo)電劑的形態(tài)、種類各異，其微觀結(jié)構(gòu)是影響導(dǎo)電性能的重要因素。從炭黑到碳纖維再到現(xiàn)在的石墨烯，導(dǎo)電劑一直在進(jìn)步。但在實(shí)際使用過(guò)程中，還需要結(jié)合實(shí)際材料的種類、勻漿的方式、需要滿足的電池性能等多方面去考慮如何選擇一個(gè)合適的導(dǎo)電劑以及含量。未來(lái)還會(huì)不會(huì)有更多、更好的導(dǎo)電劑出現(xiàn)呢？讓我們拭目以待。
資料來(lái)源：
鋰離子電池導(dǎo)電劑的研究進(jìn)展，陳志金，張一鳴，田爽，劉兆平。
粉體圈整理
聯(lián)系客服
