目前商品化锂离子电池体系中，限制电池性能的因素主要来源于导电性，尤其是正极材料的导电性不足，直接限制了电化学反应的活性，需要加入合适的导电剂来构建导电网络，为电子传输提供快速通道，保证活性物质得到充分利用，因此导电剂是锂离子电池中不可或缺的材料。

一、为什么要添加导电剂？

锂离子电池在充放电循环中，正负极极片上有电流通过，会发生净反应，表明电极正反应和逆反应无法抵消，失去了原有的平衡状态，电极电位将偏离平衡电位，就产生了我们常说的“极化”。极化电压是电池中电化学反应的一个重要参数，如果极化电压长期不稳定，会导致负极锂金属析出加快，严重情况下会刺穿电池隔膜导致内部短路、放电困难、电子导电性降低。此时光靠活性物质本身的导电性是远远不足以保证电化学反应速率的，为了保证电池良好的充放电性能，引入了导电剂的应用。

二、导电剂能起到什么作用？

导电剂在锂离子电池中是一种为了保证电极具有良好充放电性能的试剂，在活性物质之间、活性物质与集流体之间收集微电流，之后将微电流汇集在集流体如铝箔、铜箔上形成大电流，最终向用电器输送。导电剂的加入能通过这种方式减小电极的接触电阻，加快电子移动速率和锂离子在电极材料中的迁移速率，提高电子电导率，从而提高电极的充放电效率。

导电剂的作用机理

此外，导电剂还能提高极片加工性，促进电解液对极片的浸润，从而提高锂离子电池的使用寿命。

三、主流导电剂都有哪些？

一些碳系物质因其优异的导电性、耐高温、稳定性强、来源广泛、均匀扩散等优点成为了目前使用最多的锂离子电池导电剂。而导电剂的性能很大程度上取决于其和活性物质的微观接触方式，由此可分为点接触导电网络、线接触导电网络和面接触导电网络。

（一）点接触导电网络

最具代表性的点接触型导电剂是导电石墨和导电炭黑。

1.导电石墨

作为一种传统导电剂，导电石墨的微观形貌一般为不规则球状或片状，因此与活性物质之间多为点-点或点-面接触，本身颗粒粒径与活性物质颗粒较为接近。导电石墨对活性材料的间隙填充作用相对较弱，故在正极极片的配方设计中应用较少，而对于负极来说，导电石墨既增加了电极导电性也充当了电极本身的活性材料，一举两得。

导电石墨的点-点接触

常见的导电石墨有KS系列和SFG系列，KS系列的大颗粒石墨粉具有一定的储锂功能，实际生产中常用于正极；SFG系列多用作改善负极性能，是具有高度非等轴颗粒的合成鳞片状石墨，其颗粒内具有高La和Lc值的大单晶区，故获得高度各向异性的材料性能。

导电石墨产品图

2.导电炭黑（SP）

导电炭黑也是一种国内常用的传统导电剂，在扫描电镜下呈链状或葡萄状，单个炭黑颗粒具有非常大的比表面积（700m²/g），堆积紧密，组成电极中的导电网络。但比表面积较大也带来了分散困难的工艺问题，这就需要通过加入磺化剂、聚乙烯醇、磷酸和羧酸等分散剂，并将炭黑量控制在一定范围之内（通常为1.5%以下）。

导电炭黑的点-点接触

“科琴黑”被认为是导电炭黑中的佼佼者，因其具有独特的支链结构，使导电接触位点和导电通路增加。经典的ECP和EC-600JD科琴黑曾被用到大容量、高倍率的锂离子电池中，只需添加普通导电炭黑的1/6到1/3便可达到很高的导电性。

EC-600JD科琴黑

然而炭黑本身导电性较差，想获得良好的导电性能就要加大用量，作为一种辅助试剂，不仅占用了电池内部更多的空间，也会带来更严重的团聚现象，因此新型导电剂的研究正如火如荼。

（二）线接触导电网络

线接触型导电剂的工作机理实际上是在活性物质微粒之间搭接“导电桥”，实现双方的线-点连接。相比于导电石墨和导电炭黑的点接触模式，不仅增加了活性物质与导电剂之间的接触面积，使导电性能提高，更能降低导电剂用量，提高电池容量。导电碳纤维（VGCF）和碳纳米管（CNT）是常见的线接触型导电剂。

碳纳米管的线-点接触

1.导电碳纤维

主要指气相生长碳纤维，由烃气体和氢气在超过1000℃的条件下采用金属催化剂催化得到，烃气体为碳纤维的成长提供了碳源。纤维状导电剂有着较高的弯曲模量和低热膨胀系数，所以添加此类导电剂的极片通常有较好的柔韧性和机械稳定性，适合用于需要长寿命、高输出的汽车用锂离子电池。

2.碳纳米管

目前研究较为深入的碳纳米管（CNT）是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本都封口）的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层甚至数十层的同轴圆管，层间保持约0.34nm的固定距离，直径一般为2~20nm。不仅能起到“导线”的作用，同时还具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性。

碳纳米管模型示意图

与传统导电剂相比，CNT的阻抗仅为炭黑的一半，低阻抗带来了良好的导电性，改善极化现象，使循环性能更好；炭黑的添加量约为正极材料重量的3%，而碳纳米管的添加量只有0.8%~1.5%，低添加量可为活性材料节约空间，从而提高能量密度。但CNT不易分散，目前工业上一般采用高速剪切、添加分散剂、超细磨珠静电分散等工艺来处理。在CNT的优化方面，德方纳米不仅采用化学气相沉积法实现碳纳米管的批量生产，而且利用超声分散技术，将碳纳米管团聚打开，得到均匀分散的碳纳米管导电液，有效解决了CNT的分散性问题。

压缩碳纳米管JW-30G

（三）面接触导电网络

石墨烯作为一种新型的二维柔性平面碳材料，可以通俗地理解为“单层石墨片”，是组成石墨的基本结构单元。石墨烯具有极强的可塑性，既可以卷曲成圆筒状，变成一维碳纳米管，也可以制成球状或椭球状，得到零维的富勒烯。

石墨烯结构示意图及结构改变产物

因其本身是二维晶体结构，具有优良的导电导热性，这种结构使得石墨烯片层能够包覆在活性物质颗粒上，实现面-点接触，为活性物质提供大量的导电接触位点，使电子能够在二维空间传导，构成一个超大面积的导电网络，所以被看作当前最理想的导电剂。

石墨烯的面-点接触

但石墨烯单独作用时存在一个非常严重的问题，因石墨烯本身是片状结构，当片层较厚时会阻碍锂离子的扩散，从而降低极片的离子电导率，并且大面积的包覆并不能做到全面覆盖所有的活性物质，因此目前主流的研究方向是对石墨烯进行多元复合使用，以石墨烯面-点覆盖为基础，在活性物质颗粒之间引入碳纳米管的线-点连接，余下的空隙部分用炭黑点对点相连，实现活性物质的全方位导电。

据最新的研究进展，对于锂离子电池新型导电剂开发的重点是将炭黑、碳纳米管、石墨烯三种材料进行二元或三元复合来使用。国内学者利用金属镁和二氧化碳以自蔓延高温合成技术制备出高质量的介孔石墨烯粉体，与炭黑导电剂结合，一方面弥补了单一炭黑导电剂无法充分连接活性物质之间空隙的不足，另一方面，介孔石墨烯存在的大量孔隙结构提高了锂离子和电解质离子在电极之间的输送速率；

石墨烯/炭黑复合导电剂的扫描电镜微观形貌

三、小结

在选择导电剂时，材料、形貌、粒径、添加量都对锂离子电池性能有着不同方面的影响，我们应该综合各种导电剂的优缺点来补齐短板，例如将石墨烯与炭黑结合使用，既让炭黑有了新的就业方向，又弥补了石墨烯单一作用时性能的不足。在实际生产应用过程中，关于如何将复合导电剂有效分散也是未来锂离子电池的研究热题之一。

参考来源

1.锂离子电池导电剂的研究进展，陈志金等.（中国科学技术大学）

2.新型碳材料在锂离子电池中的应用研究进展，刘思达等.（中航复合材料）

3.石墨烯复合导电浆料的制备及其在超级电容器中的应用，李桂林等.（广东聚石科技）

4.介孔石墨烯/炭黑复合导电剂在锂离子电容器负极中的应用，李钊等.（中国科学院电工研究所）

粉体圈：小张

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