【2017年整理】导电剂在磷酸铁锂电池中的应用.doc

导电剂在磷酸铁锂电池中的应用 作为最有希望的电动车用锂离子动力电池，磷酸铁锂动力电池具有安全性极佳，循环寿命很长，能量密度高等优点。但是如何提高它的倍率性能，改善其高低温特性，使之满足混合电动车和纯电动汽车的使用要求，是磷酸铁锂电池制造商面临的重要问题。改进磷酸铁锂动力电池的倍率性能和高低温性能，首要的办法是正负极材料的纳米化、掺杂和碳包覆，其次是合理的选择和使用导电剂，三是选择低温电解液，当然还有合理的结构设计，合理选择隔膜等，本文主要介绍导电剂在磷酸铁锂电池中的应用，介绍如何合理选择导电剂，如何合理使用导电剂，从而提高磷酸铁锂电池的倍率性能和高低温性能，延长磷酸铁锂电池的使用寿命。 一、磷酸铁锂电池的工作原理 磷酸铁锂电池的工作原理如下图－１和下图－２所示： 图－１：磷酸铁锂电池的工作原理图 图－２：磷酸铁锂充放电时的晶格结构示意图 1、电池充电时，Li+从磷酸铁锂晶体的010面迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池极柱、外电路、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁，其晶格结构变化如上图－２。 2、电池放电时，Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电池经导电体流向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。 从磷酸铁锂电池的工作原理可知，磷酸铁锂电池的充放电过程需要锂离子和电子的共同参与，而且锂离子的迁移速度与电子的迁移速度要达至平衡。这就要求锂离子电池的正负电极必须是离子和电子的混合导体，而且其离子导电能力和电子导电能力必须一致。但是众所周知，磷酸铁锂的导电性能很差。而石墨负极的导电性虽然要好一些，但是要实现大倍率放电时，仍然需要改善负极的导电性，使其的电子导电能力与锂离子从石墨中脱嵌的能力达至平衡。 为了解决磷酸铁锂电池正负极的导电问题，1、必须在电池的正负极中加入导电剂，使之在电池的活性材料中形成如图－３模型和图－４的电镜照片所示的有效的导电网络。2、如果将电池的离子传导能力设为I，电子传导能力设为E，则理论上I=E；3、为了保证电池在充电和放电过程中，电荷保持动态平衡：I正极=I电解液=I隔膜=I电解液=I负极，E正极=E正极集流体=E极耳=E正极柱=E外电路=E负极柱=E负极耳=E负极集流体=E负极。（这三个等式实际上是锂离子动力电池设计的重要原则，但是，在实际设计过程中和实际生产过程中，如何实现上述三个等式，还需要设计一系列的实验来进行验证，建立数学模型或者建立经验公式，然后通过这些模型或者公式来进行锂离子电池的设计） 图－３：导电网络示意图 图－4:磷酸铁锂和SP分散后的电镜照片 二、常用的锂离子电池导电剂及其特性 1、常用的锂离子电池导电剂有炭黑、导电石墨、碳纳米管和纳米碳纤维（VGCF）。 导电剂品名 粒径（D50） 纤维长度(μm) 比表面积（m2/g） 电导率（S·m-1） 生产商 代理商 备 注 导电碳黑350G 40nm 770 TIMCAL 上海汇普 SP-Li 40nm 62 TIMCAL 上海汇普 导电石墨KS6 3.4μm 20 TIMCAL 上海汇普 导电石墨SFG6 3.5μm 17 TIMCAL 上海汇普 碳纳米管CNT 5nm 5-20 400 1*10-4Ω·cm 德方纳米 德方纳米 VGCF 150nm 10-20 13-20 1*10-4Ω·cm 昭和电工 2、常用锂离子电池导电剂的特性： A、导电碳黑的特点是粒径小，比表面积特别大，导电性特别好，在电池中它可以起到吸液保液的作用，缺点是价格高，难以分散。 B、导电石墨的特点是粒径接近正负极活性物质的粒径，比表面积适中，导电性良好，它在电池中充当导电网络的节点，在负极中，它不仅可以提高电极的导电性，而且可以提高负极的容量。 C、SP-Li的特点是粒径小，和导电碳黑差不多，但是比表面积适中，特别是它在电池中以支链形式存在，对行成导电网络十分有利，缺点是难以分散。 D、碳纳米管是近年新兴的导电剂，它一般直径在5纳米左右，长度达到10-20微米，它不仅能够在导电网络中充当“导线”的作用，同时它还具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性，其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热，减少电池的极化，提高电池的高低温性能，延长电池的寿命。 三、现代电动汽车对磷酸铁锂电池的要求 磷酸铁锂作为最有希望的汽车动力电池，在实际应用中，必