目前商品化鋰離子電池體系中，限制電池性能的因素主要來源于導電性，尤其是正極材料的導電性不足，直接限制了電化學反應的活性，需要加入合適的導電劑來構建導電網絡，為電子傳輸提供快速通道，保證活性物質得到充分利用，因此導電劑是鋰離子電池中不可或缺的材料。

一、為什么要添加導電劑？

鋰離子電池在充放電循環中，正負極極片上有電流通過，會發生凈反應，表明電極正反應和逆反應無法抵消，失去了原有的平衡狀態，電極電位將偏離平衡電位，就產生了我們常說的“極化”。極化電壓是電池中電化學反應的一個重要參數，如果極化電壓長期不穩定，會導致負極鋰金屬析出加快，嚴重情況下會刺穿電池隔膜導致內部短路、放電困難、電子導電性降低。此時光靠活性物質本身的導電性是遠遠不足以保證電化學反應速率的，為了保證電池良好的充放電性能，引入了導電劑的應用。

二、導電劑能起到什么作用？

導電劑在鋰離子電池中是一種為了保證電極具有良好充放電性能的試劑，在活性物質之間、活性物質與集流體之間收集微電流，之后將微電流匯集在集流體如鋁箔、銅箔上形成大電流，最終向用電器輸送。導電劑的加入能通過這種方式減小電極的接觸電阻，加快電子移動速率和鋰離子在電極材料中的遷移速率，提高電子電導率，從而提高電極的充放電效率。

導電劑的作用機理

此外，導電劑還能提高極片加工性，促進電解液對極片的浸潤，從而提高鋰離子電池的使用壽命。

三、主流導電劑都有哪些？

一些碳系物質因其優異的導電性、耐高溫、穩定性強、來源廣泛、均勻擴散等優點成為了目前使用最多的鋰離子電池導電劑。而導電劑的性能很大程度上取決于其和活性物質的微觀接觸方式，由此可分為點接觸導電網絡、線接觸導電網絡和面接觸導電網絡。

（一）點接觸導電網絡

最具代表性的點接觸型導電劑是導電石墨和導電炭黑。

1.導電石墨

作為一種傳統導電劑，導電石墨的微觀形貌一般為不規則球狀或片狀，因此與活性物質之間多為點-點或點-面接觸，本身顆粒粒徑與活性物質顆粒較為接近。導電石墨對活性材料的間隙填充作用相對較弱，故在正極極片的配方設計中應用較少，而對于負極來說，導電石墨既增加了電極導電性也充當了電極本身的活性材料，一舉兩得。

導電石墨的點-點接觸

常見的導電石墨有KS系列和SFG系列，KS系列的大顆粒石墨粉具有一定的儲鋰功能，實際生產中常用于正極；SFG系列多用作改善負極性能，是具有高度非等軸顆粒的合成鱗片狀石墨，其顆粒內具有高La和Lc值的大單晶區，故獲得高度各向異性的材料性能。

導電石墨產品圖

2.導電炭黑（SP）

導電炭黑也是一種國內常用的傳統導電劑，在掃描電鏡下呈鏈狀或葡萄狀，單個炭黑顆粒具有非常大的比表面積（700m2/g），堆積緊密，組成電極中的導電網絡。但比表面積較大也帶來了分散困難的工藝問題，這就需要通過加入磺化劑、聚乙烯醇、磷酸和羧酸等分散劑，并將炭黑量控制在一定范圍之內（通常為1.5%以下）。

導電炭黑的點-點接觸

“科琴黑”被認為是導電炭黑中的佼佼者，因其具有獨特的支鏈結構，使導電接觸位點和導電通路增加。經典的ECP和EC-600JD科琴黑曾被用到大容量、高倍率的鋰離子電池中，只需添加普通導電炭黑的1/6到1/3便可達到很高的導電性。

EC-600JD科琴黑

然而炭黑本身導電性較差，想獲得良好的導電性能就要加大用量，作為一種輔助試劑，不僅占用了電池內部更多的空間，也會帶來更嚴重的團聚現象，因此新型導電劑的研究正如火如荼。

（二）線接觸導電網絡

線接觸型導電劑的工作機理實際上是在活性物質微粒之間搭接“導電橋”，實現雙方的線-點連接。相比于導電石墨和導電炭黑的點接觸模式，不僅增加了活性物質與導電劑之間的接觸面積，使導電性能提高，更能降低導電劑用量，提高電池容量。導電碳纖維（VGCF）和碳納米管（CNT）是常見的線接觸型導電劑。

碳納米管的線-點接觸

1.導電碳纖維

主要指氣相生長碳纖維，由烴氣體和氫氣在超過1000℃的條件下采用金屬催化劑催化得到，烴氣體為碳纖維的成長提供了碳源。纖維狀導電劑有著較高的彎曲模量和低熱膨脹系數，所以添加此類導電劑的極片通常有較好的柔韌性和機械穩定性，適合用于需要長壽命、高輸出的汽車用鋰離子電池。

2.碳納米管

目前研究較為深入的碳納米管（CNT）是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本都封口）的一維量子材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層甚至數十層的同軸圓管，層間保持約0.34nm的固定距離，直徑一般為2~20nm。不僅能起到“導線”的作用，同時還具有雙電層效應，發揮超級電容器的高倍率特性。

碳納米管模型示意圖

與傳統導電劑相比，CNT的阻抗僅為炭黑的一半，低阻抗帶來了良好的導電性，改善極化現象，使循環性能更好；炭黑的添加量約為正極材料重量的3%，而碳納米管的添加量只有0.8%~1.5%，低添加量可為活性材料節約空間，從而提高能量密度。但CNT不易分散，目前工業上一般采用高速剪切、添加分散劑、超細磨珠靜電分散等工藝來處理。在CNT的優化方面，德方納米不僅采用化學氣相沉積法實現碳納米管的批量生產，而且利用超聲分散技術，將碳納米管團聚打開，得到均勻分散的碳納米管導電液，有效解決了CNT的分散性問題。

壓縮碳納米管JW-30G

（三）面接觸導電網絡

石墨烯作為一種新型的二維柔性平面碳材料，可以通俗地理解為“單層石墨片”，是組成石墨的基本結構單元。石墨烯具有極強的可塑性，既可以卷曲成圓筒狀，變成一維碳納米管，也可以制成球狀或橢球狀，得到零維的富勒烯。

石墨烯結構示意圖及結構改變產物

因其本身是二維晶體結構，具有優良的導電導熱性，這種結構使得石墨烯片層能夠包覆在活性物質顆粒上，實現面-點接觸，為活性物質提供大量的導電接觸位點，使電子能夠在二維空間傳導，構成一個超大面積的導電網絡，所以被看作當前最理想的導電劑。

石墨烯的面-點接觸

但石墨烯單獨作用時存在一個非常嚴重的問題，因石墨烯本身是片狀結構，當片層較厚時會阻礙鋰離子的擴散，從而降低極片的離子電導率，并且大面積的包覆并不能做到全面覆蓋所有的活性物質，因此目前主流的研究方向是對石墨烯進行多元復合使用，以石墨烯面-點覆蓋為基礎，在活性物質顆粒之間引入碳納米管的線-點連接，余下的空隙部分用炭黑點對點相連，實現活性物質的全方位導電。

據最新的研究進展，對于鋰離子電池新型導電劑開發的重點是將炭黑、碳納米管、石墨烯三種材料進行二元或三元復合來使用。國內學者利用金屬鎂和二氧化碳以自蔓延高溫合成技術制備出高質量的介孔石墨烯粉體，與炭黑導電劑結合，一方面彌補了單一炭黑導電劑無法充分連接活性物質之間空隙的不足，另一方面，介孔石墨烯存在的大量孔隙結構提高了鋰離子和電解質離子在電極之間的輸送速率；

石墨烯/炭黑復合導電劑的掃描電鏡微觀形貌

三、小結

在選擇導電劑時，材料、形貌、粒徑、添加量都對鋰離子電池性能有著不同方面的影響，我們應該綜合各種導電劑的優缺點來補齊短板，例如將石墨烯與炭黑結合使用，既讓炭黑有了新的就業方向，又彌補了石墨烯單一作用時性能的不足。在實際生產應用過程中，關于如何將復合導電劑有效分散也是未來鋰離子電池的研究熱題之一。

參考來源

1.鋰離子電池導電劑的研究進展，陳志金等.（中國科學技術大學）

2.新型碳材料在鋰離子電池中的應用研究進展，劉思達等.（中航復合材料）

3.石墨烯復合導電漿料的制備及其在超級電容器中的應用，李桂林等.（廣東聚石科技）

4.介孔石墨烯/炭黑復合導電劑在鋰離子電容器負極中的應用，李釗等.（中國科學院電工研究所）

粉體圈：小張

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