首先,我們來了解下什么是導電劑?導電劑,屬于建立電極導電網(wǎng)絡(luò),加速電子移動速率的一種材料,僅占鋰電池整體制造成本的2%,但在提升鋰電池倍率性、循環(huán)壽命方面發(fā)揮了不小的作用。根據(jù)材料結(jié)構(gòu)的不同及與活性物質(zhì)接觸方式的不同,分為炭黑類導電劑(包括SP、KB、乙炔黑)、導電石墨類導電劑、氣相生長碳纖維VGCF、碳納米管導電劑CNT、和石墨烯導電劑(GN)五大類。
五大類導電劑的優(yōu)缺點對比
由上圖可以看出,雖然傳統(tǒng)炭黑類、石墨類導電劑等具有吸液性好、顆粒度較大等優(yōu)勢,但在粒徑、纖維長度、比表面積、電導率等指標上表現(xiàn)不如新型導電劑CNT和GN,且傳統(tǒng)導電劑90%依賴進口,添加量也大,性價比不如傳統(tǒng)導電劑。
(一) 炭黑類導電劑
在掃描電鏡下呈鏈狀或葡萄狀,單個炭黑顆粒具有非常大的比表面積,有利于電解質(zhì)的吸附而提高離子電導率,比石墨有更好的導電能力。炭黑類導電劑以SP(SUPER P Li)為主,科琴黑具有獨特的支鏈狀形態(tài),能形成較多導電通路,因而只需少量就可達到極高導電率,其他炭黑多為圓球狀或片狀,需要較大添加量才能達到所需電性。炭黑類導電劑超九成依賴進口,市場上主流的傳統(tǒng)導電劑主要來自于美國卡博特(Cabot)、瑞士特密高(TIMCAL)、日本獅王(Lion)、日本電氣化學和日本昭和電工等企業(yè)。
(二) 導電石墨類導電劑
石墨導電劑基本為人造石墨,與負極材料人造石墨相比,具有更小的顆粒,一般為3~6μm,顆粒之間呈點接觸形式,具有更好的壓縮性和分散性,一般配合炭黑使用。KS6、KS15、KS44、SFG6、SFG15是常見的幾種石墨導電劑。
(三) VGCF
氣相生長碳纖維VGCF,是由石墨烯片卷成的無縫圓錐面堆疊而成,類似鯡魚骨的形狀,因結(jié)晶度低、導電性差,各項性能均劣于CNT。
(四) 碳納米管導電劑CNT
CNT是由石墨烯片層沿軸線卷曲而成的無縫、中空的管狀材料。CNT根據(jù)片層數(shù)又分為單壁碳納米管和多壁碳納米管,單壁碳納米管是各碳納米管生產(chǎn)企業(yè)未來研發(fā)的方向。碳納米管生產(chǎn)企業(yè)采用的均是氣相沉積法(CVD)技術(shù)路線,化學氣相沉積法又包括流化床工藝、固定床工藝、移動床工藝、浮游催化劑法等。國際上,天奈科技和德國Bayer采用的是流化床工藝,美國Hypersion、法國阿科瑪(Arkema)、卡博特(深圳三順納米)、深圳納米港采用的是固定床和移動床工藝,日本昭和電工株式會社采用的是浮游催化劑法。
碳納米管導電漿料制備工藝流程:
資料來源:天奈科技招股書
由上圖可看出,碳納米管存在2個技術(shù)壁壘,即:碳納米管粉體合成階段CVD催化劑體系的開發(fā)及構(gòu)建,和碳納米管漿料制作過程中的分散技術(shù),催化劑是影響碳納米管質(zhì)量的主要因素。同時,CNT制作過程中的技術(shù)壁壘形成了行業(yè)集中度高的特點,具體如下圖所示:
2020年中國碳納米管導電漿料市場競爭格局(出貨量):
主要碳納米管生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品型號舉例:
(五)石墨烯導電劑GN
GN,屬于二維碳納米材料,由石墨制成,號稱“新材料之王”,是最薄的材料,僅有一個原子層;是強度最大的材料,理論上強度比鋼強韌200倍;是導電性最好的材料,電導率是銀的1.6倍;是導熱性最好的材料,熱導率是銅的13倍。但因GN的二維片狀結(jié)構(gòu)會對Li+產(chǎn)生位阻效應(yīng),單獨使用時效果較差,所以一般與碳納米管復(fù)合應(yīng)用于磷酸鐵鋰電池。
GN企業(yè)主要采用氧化還原法和化學氣相沉積法進行宏量制備,主要生產(chǎn)企業(yè)有:中泰化學、青島昊鑫、鴻納(東莞)新材料科技有限公司和廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公司等。
導電劑市場前景展望:
2020年國內(nèi)鋰電池市場仍以常規(guī)類導電劑為主,CNT作為新型導電劑,能更好提升鋰電池能量密度、倍率性,且導電性能更好,國內(nèi)滲透率不足50%。隨著電池高鎳化、鐵鋰回潮,CNT的滲透率及用量將穩(wěn)步提升,預(yù)計2021年全球CNT導電漿料需求11萬噸,對應(yīng)市場空間超30億元,預(yù)計到2025年全球碳納米管漿料需求將近50萬噸,2020-2025年需求復(fù)合增速將近60%。
原標題:鋰電池性能提升的“幕后推手”是誰?