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使用导电碳改善锂离子电池的性能。

作者迈克尔·雷格拉博士和圣扎迦利·库姆斯博士,2021年9月14日。

锂离子电池于1990年早期实现首次商业化,之后成为现代生活不可分割的一部分。锂离子电池首先应用在便携式电子设备,例如手机、平板电脑和电动工具上。近几年,个人运输工具的电动化加速了电动汽车的生产。电动汽车的电池必须要有强大的性能和经济指标,包括以下几点:

  • 安全性-电池在充电和放电时不可发生短路和热击穿现象。
  • 能量密度-电动汽车为了达到续航里程,需要配备与内燃机不相上下的高能量密度的电池。
  • 充电快-对比内燃机汽车加油的次数,电动汽车需要充电快,无材料降解,实现充电次数与加油次数不相上下的目标。
  • 循环寿命-多个周期可循环使用的性能既可以提高电池的经济性也可实现可持续性。
  • 成本-为了实现与内燃机汽车价格的持平,电池组的制造成本需要下降到100美元/千瓦时以下。

锂离子电池需要使用独特的化学物质实现电荷存储。锂离子电池中的活性物质通常是分层结构。分层结构的设计可以让物质之间留足空间,方便锂离子进入不同层之间的空隙,这种机械装置被称为“嵌入装置”,如下所示。嵌入是一个高度可逆的过程,在经过数千次循环后,可让锂离子电池实现高能量密度。锂离子电池中的锂离子在阴极和阳极的活性材料的分层结构中来回穿梭帮助电池完成工作。

Energy Discharge Image

通过广泛的材料工程和配料开发,锂离子电池已经在商业上取得成功。锂离子电池通常包括三部分:活性材料,导电添加剂和粘合剂。尽管导电添加剂只占典型锂离子电池配料重量的5%,但是它对最大限度地增加活性物质的能量密度和倍率性能至关重要。

炭黑是导电添加剂使用最为广泛的材料,因为他们可在电极中形成强大的电子网。炭黑可以产生优质的电子网,结构高,分支广泛。通过覆盖活性物质粒子,在间隙内添加导电炭黑,正负极之间的嵌入和脱嵌活动大大提高。在博拉炭黑,我们在显微镜学方面的技能帮助我们更加直观地认识到炭黑在锂离子电池电极方面发挥的重要作用,如下图,扫描电子显微镜检查(SEM)图像所示。

Conductive Additives SEM Image

除了结构和分支之外,导电添加剂的表面同样很重要,这在电池材料制作选择上需要纳入考虑范围。高表面材料通常拥有更多的反应点。在电池循环的早期,液体电解质的组成部分-锂离子在电极之间移动的过程中介质从中穿过-并在这些反应点发生分解。

被分解的电解质形成固体电解质界面膜(SEI)。SEI形成过程中锂消失,SEI将锂传导到活性材料中,防止在循环过程中活性材料发生分解。尽管通过SEI可以阻止锂离子的扩散,但是如果SEI层太厚还是会对电池的性能产生负面影响。炭黑的结构和分支属性与电池的性能存在良好的相关性,但是为了确保电池循环的有效性,还需要考虑表面对它的影响。

导电炭黑添加剂对正负极的属性也有很大的影响。传统锂离子电池配制中,活性材料,导电添加剂,粘结剂混在一起,形成粘性泥浆,炭黑必须很好地分散在泥浆中。高结构炭黑更容易分散。炭黑的分散性对浆料的粘度和可达到的固体载荷有很大的影响。高固体浓度的浆料使用的溶剂少,这样一来可以大大提高电池生产效率。

博拉炭黑已经开发了适合锂离子电池正负极使用的新型导电添加剂。这些导电添加剂包括高结构炭黑和碳纳米管/炭黑混合物质,可增加能量密度、功率密度、充电速率和循环寿命。博拉炭黑的导电添加剂同样可以增加生产效率。

锂离子电池新型导电添加剂相关信息,请联系EnergySystems@adityabirla.com

迈克尔·雷格拉博士

迈克尔·雷格拉博士是博拉炭黑的能源系统工程师,主要负责新产品的开发和鉴定以及能源储存市场的流程。研究和开发兴趣包括碳导电添加剂的合成与表征,包括锂离子电池的纳米材料和活性材料,以及下一代的储能技术。迈克尔·雷格拉博士还关注能够确定独特结构属性关系的开发方法,以改善工程师电池材料。迈克尔·雷格拉博士在宾夕法尼亚州立大学获得化学工程专业的学士和博士学位。其博士项目关注的是下一代锂离子电池活性材料和电解质的开发。

圣扎迦利·库姆斯博士

博拉炭黑的圣扎迦利·库姆斯博士是能源系统全球技术的领导者。其在炭黑行业有着8年多的从业经历,主要研究能源存储市场新产品的开发,在轮胎及机械橡胶制品行业也有着丰富的经验。其研究和开发的兴趣包括炭黑和其他先进炭黑材料的形貌、表面改性和微观结构,以及这些特点对能源存储系统结构属性关系的影响。圣扎迦利·库姆斯博士本科毕业于克莱姆森大学,在美国乔治亚理工学院获得材料科学和工程专业的博士学位,研究对象是纳米粒子合成与表面化学。

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