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行业新闻

石墨烯又来了,新型导电剂在高能量密度锂离子电池中的应用

分类  行业新闻    发布时间:  2018/04/19

由中国化学与物理电源协会举办的「2018年高能量密度锂离子电池用新型导电添加剂高峰论坛」2018年4月12-13日在天津举办,本人有幸在现场学习了各位学术和产业界专家同行的精彩报告,在这里和大家分享一二,如有出入还请批评指正。

新型导电剂开发背景(江苏力信)

常用的导电剂材料比较(厦门宝瑞锂电)

第一个报告是来自天大杨全红教授

主要讲了石墨烯导电剂的缘起现状和展望,这是一个充满诗意的报告,如果不是为了祖国的科学建设杨教授绝对会成为一代诗豪!

1,石墨烯的离子位阻效应概念

石墨烯片层对锂离子的传输有着阻碍作用特别是在大容量电池中,倍率性能很差

2,厚度和主材的依存性

电极厚度决定了离子传输路径的长短,大倍率下需要良好的电子导电性和离子导电性,另外对于主材料来讲,微米尺度的 NMC 和 LCO 材料位阻不明显。

3,对应的解决方案


使用多孔石墨烯和多组分符合导电剂体系

第二个报告来自天津力神王琳经理,分享了炭黑,石墨烯,以及新型单壁碳管在硅负极的应用现状和问题。

1,传统导电剂炭黑方面

不同BET ,OAN,表面官能团,结晶度,结构的炭黑得出的电池循环差异明显的原因是导电剂的分散问题-团聚(如图) 材料表面官能团的多少决定了炭黑的分散难易程度,越多则相对好分散反之则难以分散。

但是官能团太多的情况下又会影响到材料的导电性,也会同样带来电池性能的弱化。

对此问题的解决的解决办法就是采用复合导电剂的方案,配合高导电性的CNT和浆料中的分散剂达到导电性和分散性兼顾的优异性能。

2.石墨烯导电剂方面

之所以选择石墨烯一个最根本原因是由于石墨烯有着最小的体积电阻率,作为导电剂使用能够大幅降低极片体电阻率。

另外一个原因是石墨烯可以作为润滑剂来提高极片的压实密度:下图对比了添加石墨烯前后极片的SEM照片。

但是石墨烯的应用并不是完美的有很多问题需要解决,例如浆料的稳定性-沉降问题和石墨烯片层回叠问题,石墨烯的离子位阻效应-大倍率下阻碍锂离子传输,纯度问题-影响电池储存产气,膨胀。

实际上解决问题的办法还是复合,石墨烯浆料复合炭黑或碳纳米管以此来增加稳定性构建导电协同网络,对石墨烯进行提纯除杂操作电性能的提升如下图数据所示。

对于石墨烯未来的发展方向,一个是做小片径石墨烯,另外一个就是做造孔石墨烯。

3.新型导电剂的应用

由于在硅碳负极体系的高膨胀,低效率和导电性差的客观原因,对于导电剂开发方面提出了更高的要求,新型导电剂主要以长径比超级高的单壁碳纳米管SWCNT效果最为显著,主要表现在对循环的明显提升和对膨胀的抑制作用。

在新型锂硫电池的应用方面提出了S/CNT复合电极材料,表现出了良好的性能。

最后是个人认为很有应用前景的是导电剂在安全性能解决方案中的应用-PCT功能导电剂,以碳材料为内核包覆PCT材料。对于解决高能量密度电池的热失控问题有非常大的帮助。但是其他专家朋友评论说 PTC 目前只是一个概念而已,在目前体系中几乎没有应用前景,需要多方位着手解决电池热失控问题。

第三个要报告来自OCSiAl 公司的SWCNT在锂电中的应用

这个被称为终极导电剂的材料来势汹汹,目前只有这家俄罗斯企业能够大规模量产的单壁碳纳米管目前得到了电池客户的广泛认可。

尤其是在高能量密度体系上的应用,在正极的添加量低至0.06%,大约是普通多壁碳纳米管添加量的1/20

这款单壁碳纳米管导电剂由于其超级高的长径比,作为新型导电剂在硅碳负极中的应用目前已经得到验证,可以显著提升电池的循环寿命(如图3#比克18650-3500mAh)

数据来自比克林建博士

目前OCSiAl 在中国的授权合作伙伴沈阳伊斯特化学已经启动本地化导电浆料生产工厂,按照计划2018年SWCNT分散液产能将达到5000吨。

接下来想分享下江苏力信高远鹏经理的报告

展示了力信技术路线图,当下能量密度的提升迫切需要包括导电剂在内的材料体系的进一步改善。

1,电极电阻最优化

同样的观点是利用不同种类导电剂的协同作用,构建点线面三维导电网络,提高离子,电子传输速率。下图是对比数据。

2,能量密度最优化三个方向

优化导电网络,降低渗透阙值

开发新型导电粘结剂进一步减少非活性物质占比

新型导电剂更高的压实密度和更小的极片反弹

3,浆料和极片生产过程优化


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