锂离子电池导电剂的相关研究.ppt

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1、锂离子电池导电剂的相关研究导电剂作为锂离子电池的重要组成部分，很大程度地影响着锂离子电池的性能，锰氧化物，磷酸盐等材料。这些材料的电导率都很低，但还要保持良好的大倍率充放电特性、较长的使用寿命，这正是目前动力锂离子电池工业所面临的一个巨大挑战。作为锂离子电池重要组成部分的导电剂，对改善电池性能有着重要的作用。能够提高充放电倍率、循环稳定性的新型导电剂的研究开发，已经成了锂离子电池研究的一个重要课题。导电剂研究的必要性从工作原理可知，正常的充放电过程，需要锂离子、电子的共同参与，这就要求锂离子电池的电极必须是离子和电子的混合导体，电极反应也只能够发生在电解液、导电剂、活性材料的接合处。然而

2、事实上，锂离子电池的正极、负极活性材料的导电性都不尽如人意。正极活性材料多为过渡金属氧化物或者过渡金属磷酸盐，它们是半导体或者绝缘体，导电性较差，必须要加入导电剂来改善导电性；负极石墨材料的导电性稍好，但是在多次充放电中，石墨材料的膨胀收缩，使石墨颗粒间的接触减少，间隙增大，甚至有些脱离集电极，成为死的活性材料，不再参与电极反应，所以也需要加入导电剂保持循环过程中的负极材料导电性的稳定。由于磷酸铁锂作为活性材料本身导电性较差，虽经碳包覆等后续研究对其性能进行了改进，但其电极的内阻较大，放电深度不够等缺点还是会导致活性材料的利用率低，电极的残余容量大。因此，改善磷酸铁锂和集流体之间以及磷酸

3、铁锂颗粒之间的导电性，选取高性能的导电剂至关重要。几种正极材料的电导率从表中可看出LiFePO4的电导率最低，LiNiO2的电导率最高，是LiFePO4的107倍。导电剂的种类导电剂纤维状导电剂颗粒状导电剂乙炔黑(AB)炭黑(KB)石墨（ks-6）金属纤维气相生长碳纤维(VGCF)碳纳米管CNTs颗粒状导电剂:单组分导电剂Liu等研究碳黑添加量对正极材料LiMn2O4和LiCoO2的性能影响发现，LiCoO2复合电极要保持好的大倍率充放电性能和循环稳定性，碳黑的添加量要高达10(wt)%。两种正极材料随着充放电倍率的增大，比容量都有较大程度的降低，原因是复合电极的极化导致了充电不完全，而

4、极化很大程度上归因于导电性差，电子不能迅速转移，LiCoO2复合电极要保持大倍率充放电性能需要较多的碳黑。导电剂在正极材料中的应用双组分导电剂Cheon等用双组分导电剂(大颗粒石墨KS-6(6μm)和小颗粒碳黑SuperP(30nm))研究了不同的组成对LiCoO2的性能影响。实验表明,固定导电剂的用量为8(wt)%,随着SuperP含量的增大，复合电极的能量密度增大，电极的表面电阻减小，虽然离子的扩散速率减小，但电极的倍率充放电性能得到了改善，表明导电通道的形成对电极的性能有更大的影响。同时还发现，两种导电剂组分在一个合适的比值时，比单一组分导电剂有更好的循环性能。Hong等对比了两种

5、小颗粒的物质(SuperP或乙炔黑)和KS-6组成的双组分导电剂对LiCoO2性能的影响。不同的是把导电剂的用量提高到了10(wt)%。这种情况下，他们的研究也表明，大颗粒KS-6中加入小颗粒SuerpP或乙炔黑的双组分导电剂的性能要好于单组分的KS-6。原因是小颗粒填充了大颗粒导电剂和LiCoO2颗粒间的空隙。SuperP的颗粒小于乙炔黑的颗粒，KS-6和SuperP的复合导电剂性能要好于KS-6和乙炔黑的复合导电剂的性能。纤维状导电剂：单组分导电剂王国平等实验表明，碳纳米管作导电剂的性能要优于乙炔黑和气相法生长碳纤维VGCF。实质上，碳纳米管也改善了正极复合材料的导热性，便于热量转移

6、，不会导致局部温度过高。Ochao等用单壁碳纳米管作导电剂，很少的添加量0.5(wt)%，就能显著地改善正极复合材料的导电性，尤其是改善了导热性。多组分导电剂纤维状导电剂由于是长的纤维，容易形成导电网络，但是和颗粒状导电剂相比，与正极活性材料的接触点较少。若在纤维状导电剂中加入颗粒状导电剂，就可以相得益彰，发挥两种材料的优势。Shen等将金属铝纤维(直径0.1～5μm，含量80(wt)%～98(wt)%)和铝粉体(粒径0.1~5μm，含量2(wt)%～20(wt)%)复合起来作为正极导电剂，明显降低了电极的内阻，提高了循环稳定性，可以大倍率充放电。Shiyuuko等用多组分导电剂，由纤维

7、状碳(长径比20～100000，直径0.001～2μm，含量1(wt)%～20(wt)%)和颗粒状碳(含量99(wt)%～80(wt)%)复合而成。其中的颗粒状碳中又包括晶体碳(含量90(wt)%～60(wt)%)和非晶体碳(含量10(wt)%～40(wt)%)。这种组成的导电剂有较好的大倍率充放电性能。张庆堂等也研究了乙炔黑和碳纳米管复合的双组分导电剂，单纯的碳纳米管分散好后，容易团聚，加入乙炔黑可以有利于碳纳米管的分散，穿插入碳