导电剂在磷酸铁锂电池中应用

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1、导电剂在磷酸铁锂电池中的应用作为最有希望的电动车用锂离子动力电池，磷酸铁锂动力电池具有安全性极佳，循环寿命很长，能量密度高等优点。但是如何提高它的倍率性能，改善其高低温特性，使之满足混合电动车和纯电动汽车的使用要求，是磷酸铁锂电池制造商面临的重要问题。改进磷酸铁锂动力电池的倍率性能和高低温性能，首要的办法是正负极材料的纳米化、掺杂和碳包覆，其次是合理的选择和使用导电剂，三是选择低温电解液，当然还有合理的结构设计，合理选择隔膜等，本文主要介绍导电剂在磷酸铁锂电池中的应用，介绍如何合理选择导电剂，如何合理使用导电剂，从而提高磷酸铁锂电池的倍率性能和高低温性能，延长磷酸铁锂电池的使

2、用寿命。一、磷酸铁锂电池的工作原理磷酸铁锂电池的工作原理如下图－１和下图－２所示：图－１：磷酸铁锂电池的工作原理图图－２：磷酸铁锂充放电时的晶格结构示意图51、电池充电时，Li+从磷酸铁锂晶体的010面迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池极柱、外电路、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁，其晶格结构变化如上图－２。2、电池放电时，Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进

3、入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电池经导电体流向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。从磷酸铁锂电池的工作原理可知，磷酸铁锂电池的充放电过程需要锂离子和电子的共同参与，而且锂离子的迁移速度与电子的迁移速度要达至平衡。这就要求锂离子电池的正负电极必须是离子和电子的混合导体，而且其离子导电能力和电子导电能力必须一致。但是众所周知，磷酸铁锂的导电性能很差。而石墨负极的导电性虽然要好一些，但是要实现大倍率放电

4、时，仍然需要改善负极的导电性，使其的电子导电能力与锂离子从石墨中脱嵌的能力达至平衡。为了解决磷酸铁锂电池正负极的导电问题，1、必须在电池的正负极中加入导电剂，使之在电池的活性材料中形成如图－３模型和图－４的电镜照片所示的有效的导电网络。2、如果将电池的离子传导能力设为I，电子传导能力设为E，则理论上I=E；3、为了保证电池在充电和放电过程中，电荷保持动态平衡：I正极=I电解液=I隔膜=I电解液=I负极，E正极=E正极集流体=E极耳=E正极柱=E外电路=E负极柱=E负极耳=E负极集流体=E负极。（这三个等式实际上是锂离子动力电池设计的重要原则，但是，在实际设计过程中和实际生产过

5、程中，如何实现上述三个等式，还需要设计一系列的实验来进行验证，建立数学模型或者建立经验公式，然后通过这些模型或者公式来进行锂离子电池的设计）图－３：导电网络示意图5图－4:磷酸铁锂和SP分散后的电镜照片二、常用的锂离子电池导电剂及其特性1、常用的锂离子电池导电剂有炭黑、导电石墨、碳纳米管和纳米碳纤维（VGCF）。导电剂品名粒径（D50）纤维长度(μm)比表面积（m2/g）电导率（S·m-1）生产商代理商备注导电碳黑350G40nm770TIMCAL上海汇普SP-Li40nm62TIMCAL上海汇普导电石墨KS63.4μm20TIMCAL上海汇普导电石墨SFG63.5μm17T

6、IMCAL上海汇普碳纳米管CNT5nm5-204001*10-4Ω·cm德方纳米德方纳米VGCF150nm10-2013-201*10-4Ω·cm昭和电工2、常用锂离子电池导电剂的特性：A、导电碳黑的特点是粒径小，比表面积特别大，导电性特别好，在电池中它可以起到吸液保液的作用，缺点是价格高，难以分散。B、导电石墨的特点是粒径接近正负极活性物质的粒径，比表面积适中，导电性良好，它在电池中充当导电网络的节点，在负极中，它不仅可以提高电极的导电性，而且可以提高负极的容量。C、SP-Li的特点是粒径小，和导电碳黑差不多，但是比表面积适中，特别是它在电池中以支链形式存在，对行成导电网络

7、十分有利，缺点是难以分散。5D、碳纳米管是近年新兴的导电剂，它一般直径在5纳米左右，长度达到10-20微米，它不仅能够在导电网络中充当“导线”的作用，同时它还具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性，其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热，减少电池的极化，提高电池的高低温性能，延长电池的寿命。三、现代电动汽车对磷酸铁锂电池的要求磷酸铁锂作为最有希望的汽车动力电池，在实际应用中，必须满足电动汽车对它的性能要求（见图－5）。四、如何选用导电剂如何选用导电剂？这是我们在进行电池设计时要解决的一个重要问题