锂离子电池导电剂及石墨烯的应用

导电剂是锂离子电池的关键材料，位于电池正负极片内部，主要用于改善电极材料的导电性，提升电池的充放电效率、倍率性能和循环寿命。

一、导电剂的基本功能

导电剂通过在正负极材料间形成导电网络，降低电子传输阻力，加速微电流收集，减少电极接触电阻，从而提高电子和锂离子的迁移速率。同时，其高比表面积特性可吸附电解液，优化电解液分布，为锂离子提供更多传输界面，间接提升充放电效率。

二、导电剂分类

1.炭黑类导电剂

（1）‌SP系列‌（如SUPER-P）

特点：粒径小（约40nm原生粒子）、链状结构，通过团聚体形成多支链导电网络，兼顾离子/电子传导。

应用：正负极通用，添加量通常≤1.5%。

（2）‌乙炔黑（AB）‌

优势：片状结构易分散，高纯度且导电性优于普通炭黑。

（3）‌科琴黑（KB）‌

特性：支链状形态，接触点多，仅需极低添加量即可构建高效导电通路（如ECP-600JD型号）

适用：高倍率电池，替代传统炭黑可提升性能。

2.石墨类导电剂

‌导电石墨‌（如KS-6、SFG-6、350G）

作用：颗粒接近活性物质粒径，通过点接触增强负极容量与压实密度。

局限：比表面积低，首次效率较低。

3.新型纳米材料

（1）‌碳纳米管（CNT）‌

优势：线接触导电网络降低阻抗，添加量仅为炭黑的1/6-1/2；显著提升倍率性能与循环寿命。

应用：动力电池渗透率逐步上升。

（2）‌石墨烯‌

特性：面接触导电网络，导电性优异但分散工艺复杂。

4.纤维类导电剂

‌气相生长碳纤维（VGCF）‌

功能：构建三维骨架结构，增强电极机械强度。

 

三、石墨烯应用于导电剂

石墨烯应用于锂离子电池导电剂领域具有显著优势与特定局限，以下为其核心特性及应用进展。

1.核心优势

（1）‌超高导电性‌

• 电导率超1000 S/cm，比传统炭黑高2个数量级，仅需0.5%-1.5%添加量即可构建高效三维导电网络。
• 二维片层结构与活性物质形成”面-点”接触，大幅降低电极极化内阻。

（2）‌提升能量密度‌

添加量仅为传统炭黑的1/3-1/2，可增加电极活性物质占比，理论提升电池能量密度10%-20%。

（3）‌优化热管理‌

导热率高达5300 W/m·K，改善电极热分布，使电池在-20℃下放电容量保持率＞85%（普通电池＜50%）。

（4）‌机械性能增强‌

超薄柔韧特性可缓冲硅负极＞300%的体积膨胀，抑制极片粉化。

2.产业化应用现状

‌应用领域‌	‌典型案例‌	‌添加量‌	‌渗透率趋势‌
‌3C数码电池‌	高端快充手机电池（如华为石墨烯散热电池）	0.5%-1%	已规模应用
‌动力电池‌	高端长续航车型（宁德时代完成车规级测试）	1%-1.5%	2025年预计达5%
‌特种电池‌	无人机高倍率电池	≤1.5%	小批量应用

 

3.技术瓶颈与解决方案

（1）‌产业化挑战‌

‌分散难题‌：片层易团聚，需特殊工艺制备浆料（如改性石墨烯导电浆料）；

‌离子传输阻碍‌：过厚片层（＞9层）会阻滞锂离子扩散，需控制层数≤6层；

‌杂质敏感‌：铁杂质＞10ppm将缩短循环寿命8%-12%，需20000高斯超导除铁器提纯。

（2）‌复合技术突破‌

‌协同配方‌：GN/CNT/SP=3/2/1复合浆料较单一导电剂降低极化内阻40%，循环寿命提升30%；

‌包覆应用‌：石墨烯包覆硅负极，抑制体积膨胀并提升首效12%。

4.未来发展方向

（1）‌成本优化‌

规模化制备推动导电浆料价格下降。

（2）‌标准统一‌

完善石墨烯材料表征与电池应用规范，消除市场劣质产品。

（3）‌多功能集成‌

开发”导电-散热-机械增强”一体化石墨烯基复合材料。

（4）‌技术定位‌

当前仍以高端导电添加剂角色为主（添加量＜1%），暂无法替代传统电极材料，但复合技术推动其在快充与高能量密度场景持续渗透。