隨著新能源汽車和電子設(shè)備的飛速發(fā)展，鋰電池作為核心動(dòng)力源，其性能提升一直是科研和產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)話題。而在鋰電池的關(guān)鍵材料中，導(dǎo)電碳材料扮演著不可或缺的角色，碳材料的導(dǎo)電性主要來源于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，碳原子的電子排布為1s22s22p2，最外層的4個(gè)電子可以參與化學(xué)鍵的形成。在石墨、碳納米管、石墨烯等碳材料中，碳原子以sp2雜化軌道形成平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)一個(gè)π電子，形成離域的π電子云。這些π電子可以自由移動(dòng)，從而賦予碳材料良好的導(dǎo)電性。

01導(dǎo)電碳材料的作用

提升導(dǎo)電性

鋰離子電池的充放電過程本質(zhì)上是鋰離子在正負(fù)極之間的嵌入和脫出過程，同時(shí)伴隨著電子的轉(zhuǎn)移。導(dǎo)電碳材料通過在電極中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低電極的電阻，加速電子的傳輸，提高電池的充放電速度和效率；

增強(qiáng)穩(wěn)定性

電極材料在充放電過程中會(huì)發(fā)生體積膨脹和收縮，影響電池壽命。導(dǎo)電碳材料可以緩沖這種體積變化，能夠有效減少電極材料與電解液之間的副反應(yīng)，延長電池的循環(huán)壽命。

鋰離子電池工作示意圖

02常見導(dǎo)電碳材料的分類

炭黑·導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的“基石”

炭黑是最早被廣泛應(yīng)用于鋰電池的導(dǎo)電劑之一，其結(jié)構(gòu)性是以炭黑粒子間聚成鏈狀或葡萄狀的程度來表示的，顆粒細(xì)、網(wǎng)狀鏈堆積緊密、比表面積大、單位質(zhì)量顆粒多，有利于在電極中形成鏈?zhǔn)綄?dǎo)電結(jié)構(gòu)，幫助提升電池的導(dǎo)電性和充放電效率。不過，炭黑的導(dǎo)電性能相對(duì)有限，在某些高性能需求場景下略顯不足，且添加量較多，這也促使人們不斷探索其他新型導(dǎo)電碳材料。常用的導(dǎo)電炭黑材料有爐黑、乙炔黑、科琴黑等。

爐黑

爐黑是導(dǎo)電炭黑中最常見的類型之一，主要通過重油爐法生產(chǎn)。其顆粒呈球形或鏈狀，能夠?yàn)殡姌O材料提供穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。爐黑的優(yōu)點(diǎn)在于成本較低且生產(chǎn)工藝成熟，廣泛應(yīng)用于中低端鋰電池市場。

乙炔黑

乙炔黑是一種通過乙炔氣高溫裂解制得的高性能炭黑。其比表面積大、導(dǎo)電性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。相比爐黑，乙炔黑的導(dǎo)電性能更優(yōu)，尤其適合用于高倍率性能要求的鋰電池。此外，乙炔黑的顆粒形態(tài)使其在電極中能夠形成更緊密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升電池的循環(huán)壽命。

科琴黑

科琴黑以其獨(dú)特的支鏈狀結(jié)構(gòu)和極高的導(dǎo)電性著稱。這種材料只需要極低的添加量就能顯著提升電池的導(dǎo)電性能?？魄俸诘?/span>高純度和低金屬雜質(zhì)含量使其在高端鋰電池市場備受青睞，尤其是在磷酸鐵鋰等對(duì)導(dǎo)電性能要求極高的電池體系中。

碳納米管（CNT）·納米級(jí)“超級(jí)導(dǎo)體”

碳納米管（CNT）是近年來備受關(guān)注的新型導(dǎo)電材料，分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。單壁碳納米管由單層石墨烯卷曲而成，具有更高的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，但生產(chǎn)成本較高。多壁碳納米管則由多層石墨烯組成，雖然導(dǎo)電性略遜一籌，但成本更低，更適合大規(guī)模應(yīng)用。

碳納米管一般管徑在5nm左右，長度在10-20μm，不僅能夠在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)“導(dǎo)線”的作用，同時(shí)還具有雙電層效應(yīng)，發(fā)揮超級(jí)電容器的高倍率特性，其良好的導(dǎo)熱性能還有利于電池充放電時(shí)的散熱，有效減少電池極化現(xiàn)象，同時(shí)提升電池的高低溫性能，延長電池的使用壽命。

石墨烯·二維材料的“未來之星”

石墨烯作為一種新型的二維柔性平面炭材料，有著優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這種結(jié)構(gòu)使得石墨烯片層可以附著在活性物質(zhì)顆粒上，為正負(fù)極活性物質(zhì)顆粒提供大量的導(dǎo)電接觸位點(diǎn)，使電子能夠在二維空間內(nèi)傳導(dǎo)，構(gòu)成一個(gè)大面積的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。然而，相對(duì)于傳統(tǒng)炭黑導(dǎo)電劑來說，石墨烯有著2630m2/g的超高比表面積，以及π-π共軛的作用，使其在實(shí)際應(yīng)用過程中更加易于團(tuán)聚，所以如何使石墨烯形成良好穩(wěn)定的分散體系，充分利用石墨烯的優(yōu)良性能，是其廣泛應(yīng)用亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

石墨烯構(gòu)建各種碳材料示意圖

在鋰離子電池中，導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)的接觸方式對(duì)電池性能有重要影響。以下是常見導(dǎo)電劑的接觸方式示意圖：

不同導(dǎo)電劑接觸示意圖

氣相生長碳纖維（VGCF）·導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的“橋梁”

VGCF，全稱為Vapor Grown Carbon Fiber(氣相生長碳纖維)，是一種通過化學(xué)氣相沉積法制備的具有獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)和低長徑比的碳纖維材料。

 VGCF SEM圖像

VGCF石墨化后TEM圖像

01高導(dǎo)電性

   VGCF導(dǎo)電性和機(jī)械性能優(yōu)異，能夠在電極中形成長程導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提升電池的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

02高導(dǎo)熱性

   VGCF具有較高的本征導(dǎo)熱率，其熱導(dǎo)率可達(dá)2000 W/m·K。由于其纖維狀結(jié)構(gòu)，VGCF能夠在電極中形成有效的導(dǎo)熱通道，顯著降低電池極化。

03低比表面積（粗管徑-長纖維）

   VGCF的比表面積較低，具有更少的表面活性位點(diǎn)，化學(xué)穩(wěn)定性更好。

因此VGCF的添加可以有效改善電池的倍率性能和循環(huán)壽命，減少電池產(chǎn)氣與極片反彈。另外其在固態(tài)電池與干法電極中相較于普通CNT會(huì)有更加亮眼的表現(xiàn)。

在全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟪掷m(xù)高漲的大背景下，鋰電池技術(shù)正處于日新月異的創(chuàng)新突破進(jìn)程中。導(dǎo)電碳材料雖小，卻是鋰電池性能提升的關(guān)鍵。作為鋰電池的核心組成部分，導(dǎo)電碳材料的研發(fā)領(lǐng)域正迎來全新的機(jī)遇，同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。展望未來，其發(fā)展趨勢將持續(xù)聚焦于高性能、低成本與綠色環(huán)保。

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