锂離子電池中的電子接力手：導電劑
當代生活已經離不開各種電子設備，而這些設備離不開電池，其中大部分都是锂離子電池。相比于其他類型電池，锂離子電池具有低成本、環境友好、高比能量、無記憶效應、質量輕等特點，因此已成為通訊設備、娛樂設備、電動汽車、醫療設備等的重要組成部分。
锂離子電池中，正極一般采用過渡金屬氧化物為活性材料，例如層狀钴酸锂、鎳酸锂、鎳钴酸锂或磷酸鐵锂等，負極則采用石墨、矽基材料等作為活性材料。不過由于這些正極材料的活性物質導電性差，使得電極的内阻較大，導緻活性物質的利用率低，嚴重影響了電池的性能；而硬碳、石墨等活性材料雖然導電性良好，但是在多次充放電循環過程中會發生膨脹收縮，導緻活性材料之間産生不良接觸。因此為了提高活性物質的利用率，改善電池性能，就需要選取具有優良導電性、低密度、結構及化學性能穩定的材料添加至活性材料中，這些材料被稱為“導電劑”。
锂離子電池的材料構成
導電劑的首要作用是提高電子電導率，它作為锂離子電池關鍵非主材之一，雖然在電池中所占的份量較少，但很大程度地影響着锂離子電池的性能（電池循環性能、容量發揮、倍率性能）。在電池中，導電劑能在活性物質之間、活性物質與集流體之間起到收集微電流的作用，以減小電極的接觸電阻加速電子的移動速率，同時也能有效地提高锂離子在電極材料中的遷移速率，從而提高電極的充放電效率。
導電劑類型
導電劑的類型很多，包括金屬系導電劑（銀粉、銅粉、鎳粉等）、金屬氧化物系導電劑（氧化錫、氧化鐵、氧化鋅等）、碳系導電劑（炭黑、石墨等）、複合導電劑（複合粉、複合纖維等）等。
但由于锂離子電池中的導電劑不能參加電池中的氧化還原反應，要有很高的抗酸堿腐蝕能力，因此金屬系和金屬氧化物系導電劑就這樣被PASS了。而碳系導電劑不僅能滿足上述條件，還具有低成本，質量輕等特點，因此順理成章成為锂離子電池中的主流導電劑類型。
锂電池導電劑的發展
和锂離子電池電極材料一樣，導電劑也在不斷的進化，從最早的炭黑材料，其特點是點狀導電劑，也可以稱作零維導電劑，主要通過顆粒之間的點接觸提高導電性；到後來，逐漸發展出了導電碳纖維和碳納米管這一類具有一維結構的導電劑，由于其纖維狀結構，增大了與電極材料顆粒的接觸，大大提高了電極的導電性，降低了極片電阻；到最近火熱的石墨烯材料，其二維的片層狀結構能極大地增加電極顆粒之間的接觸，提高導電性，并降低導電劑的用量，提高锂離子電池的能量密度。下面便來一起看看它們的功效差異。
1.導電炭黑
炭黑是小顆粒碳和烴熱分解的生成物在氣相狀态下形成的熔融聚合物的總稱，是一種由球形納米級顆粒團聚成多簇狀和纖維狀的團聚物結構，粒徑幾乎是導電石墨粒徑的十分之一。根據導電能力大小，可以分為導電炭黑、超導電炭黑和特導電炭黑。
油的吸附值(OAN)與原子的結構性成正比例關系，OAN值越大，表示炭黑結構度越高，容易形成難以破壞的導電網絡通道。越細的炭黑顆粒，其結構度越高，炭黑顆粒之間形成的網狀鍊堆積越緊密，有利于在聚合物中形成鍊式導電結構。缺點是OAN值高的導電炭黑對聚合物粘結劑、液态和聚合物電解質的吸附能力比較強，分散性較差。
2.導電石墨
石墨導電劑基本為人造石墨，與負極材料人造石墨相北，作為導電劑的人造石黑具有更小的顆粒度，一般為3~6μm，且孔隙和比表面更發達，也具有較好的導電性，其本身顆粒較接近活物質顆粒粒徑，顆粒與顆粒之間呈點接觸的形式，可以構成一定規模的導電網絡結構，有利幹改善極片顆粒的壓實以及提高離子和電子電導率，同時用于負極時更可提高負極容量。導電石墨具有更好的壓縮性和分散性，可提高電池的體積能量密度和改善極片的工藝特性，一般配合炭黑使用。
3.纖維狀導電劑
纖維狀導電劑主要包括碳纖維及碳納米管，碳納米管又可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管：
①碳纖維（VGCF）
導電碳纖維具有線性結構，在電極中容易形成良好的導電網絡，表現出較好的導電性，因而減輕電極極化，降低電池内陰及改善電池性能。在碳纖維作為導電劑的電池内部，活物質與導電劑接觸形式為點線接觸，相于導電炭黑與導電石墨的點點接觸形式，不僅有利于提高電極導電性，更能降低導電劑用量，提高電池容量。另外，添加納米碳纖也能提高正負極導熱系數，利于散熱，所以VGCF很适合用作需要長壽命、高輸出的汽車用锂離子電池等的添加材料。
②碳納米管(CNT)
CNT可以分為單壁CNT和多壁CNT，一維結構的碳納米管與纖維類似呈長柱狀，内部中空。碳納米管具有良好的電子導電性，纖維狀結構能夠在電極活性材料中形成連續的導電網絡，其與活物質也是呈點線接觸形式，對于提高電池容量（提高極片壓實密度）、倍率性能、電池循環壽命和降低電池界面阻抗具有很大的作用。添加碳納米管後極片有較高的韌性，能改善充放電過程中材料體積變化而引起的剝落，提高循環壽命。碳納米管也可大幅度提高電解液在電極材料中的滲透能力。但由于CNT直徑小、長徑比大，在範德華力的作用下，極易發生團聚，影響其導電效果。因此，CNT作為锂離子電池的導電劑，需要解決的主要問題是CNT的分散性，要求其在漿料中要分散良好。
4.石墨烯
石墨烯是具有sp2雜化軌道的二維碳原子晶體，導電導熱性優良。其單獨單獨作為負極材料時，雖然其初始容量較高，但是随着充放電，電池的容量會快速衰減，所以它的應用更多集中在作為導電劑添加，以提高導電性。
石墨烯作為新型導電劑時，與活性物質的接觸為點面接觸而不是常規的點點接觸形式，這樣可以最大化的發揮導電劑的作用，減少導電劑的用量，從而可以多使用活性物質，提升锂電池容量。作為導電劑的效果與其加入量密切相關.在加入量較小的情況下，石墨烯由于能夠更好地形成導電網絡，效果遠好于導電炭黑。但是片層較厚的石墨烯會阻礙锂離子的擴散而降低極片的離子電導率（一般認為6-9層最為适宜）。
總結
導電劑的形态、種類各異，其微觀結構是影響導電性能的重要因素。從炭黑到碳纖維再到現在的石墨烯，導電劑一直在進步。但在實際使用過程中，還需要結合實際材料的種類、勻漿的方式、需要滿足的電池性能等多方面去考慮如何選擇一個合适的導電劑以及含量。未來還會不會有更多、更好的導電劑出現呢？讓我們拭目以待。
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