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導(dǎo)電劑——鋰電池的“隱形橋梁”

在鋰電池的極片中,，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑往往相互混合在一起形成連續(xù)的碳膠相，活性顆粒鑲嵌在碳膠相網(wǎng)絡(luò)中,。碳膠相是電子和離子傳導(dǎo)的主要路徑,，一方面，導(dǎo)電劑形成相互連通的三維網(wǎng)絡(luò),，傳導(dǎo)電子,，就像人體內(nèi)的錯綜復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)末梢；另一方面,，碳膠相內(nèi)部具有亞微米,、納米級的孔隙，電解液填充在這些孔隙內(nèi),，傳導(dǎo)鋰離子,，如同人體內(nèi)的毛細(xì)血管網(wǎng)。這種碳膠相直接影響著電子和離子的傳輸效率和電池的整體性能,。而導(dǎo)電劑,，正是構(gòu)建這種“神經(jīng)末梢”和“毛細(xì)血管”的關(guān)鍵材料。它像一座橋梁,，連接活性物質(zhì)顆粒,，降低電阻、提升倍率性能,；同時不同的導(dǎo)電劑又會形成不同的孔隙微觀結(jié)構(gòu),，決定離子的有效擴(kuò)散系數(shù)。然而,，這座“橋”并非越多越好——含量過低會導(dǎo)致電子傳輸路徑斷裂,，電池性能下降,；含量過高則可能引發(fā)漿料分散不均、工藝惡化甚至成本失控,。

導(dǎo)電劑在極片中的分布狀態(tài),，不僅受到導(dǎo)電劑種類、形貌等的影響,，還受到工藝過程的影響,。比如漿料分散是否形成了導(dǎo)電劑均勻分散狀態(tài)，比如干燥過程是否不發(fā)生層級偏析而保持了漿料中的優(yōu)良分布狀態(tài),，比如輥壓過程導(dǎo)電劑是否形成了相互連通的通路，等等,。因此,，極片的設(shè)計和加工工藝是一個復(fù)雜的過程。

圖1. 導(dǎo)電劑是鋰電的關(guān)鍵輔助材料

近期我們針對不同導(dǎo)電劑含量漿料電阻與極片電阻的關(guān)聯(lián)性展開實驗,，試圖回答行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典難題：如何找到導(dǎo)電劑的“甜點添加量”,，讓電池性能、工藝穩(wěn)定性和成本三者實現(xiàn)最佳平衡,？在實際生產(chǎn)中,，導(dǎo)電劑的添加常面臨兩難選擇：技術(shù)層面：導(dǎo)電劑不足時，極片電阻高,，電池快充時易發(fā)熱,、壽命衰減；過量時,，漿料粘度上升,，涂布易出現(xiàn)裂紋、掉粉,。成本層面：導(dǎo)電劑（如導(dǎo)電炭黑,、碳納米管）價格昂貴，含量增加直接引起單噸漿料成本的增加,。因此,，我們設(shè)計了梯度實驗，試圖通過定量分析,，為導(dǎo)電劑添加提供科學(xué)依據(jù),。

實驗設(shè)計：5組梯度下的多維驗證

1.樣品制備：嚴(yán)格控制變量，材料與配比：固定正極材料（LCO）,、粘結(jié)劑（PVDF）和溶劑（NMP）比例,，僅調(diào)整導(dǎo)電劑（SP）含量，設(shè)置0.5%,、1.0%,、1.3%,、1.5%、1.8%五個梯度,，工藝過程條件統(tǒng)一,。

2.測試設(shè)備及方法：結(jié)合BSR系列及BER系列極片電阻儀對不同導(dǎo)電劑含量的漿料和極片進(jìn)行測定分析。

圖2. 漿料電阻測定及極片電阻測試設(shè)備示意圖

實驗結(jié)果：導(dǎo)電劑的“性能拐點”

漿料中導(dǎo)電劑的理想分布狀態(tài)是導(dǎo)電劑顆粒均勻分散,，與活性顆粒形成較強(qiáng)的相互作用,，如包覆結(jié)構(gòu)，同時導(dǎo)電劑之間又相互連通,。然后后續(xù)工藝保持導(dǎo)電劑這種理想分布狀態(tài),。圖3為漿料電阻率隨導(dǎo)電劑含量增加的測試結(jié)果圖，實驗數(shù)據(jù)顯示,，導(dǎo)電劑含量對漿料電阻,、工藝性及成本均存在顯著影響，且存在明確的“臨界閾值”,。當(dāng)導(dǎo)電劑含量從0.5%逐步提升至1.5%時,，漿料電阻率呈現(xiàn)急劇下降趨勢。這一階段電阻率的快速降低主要得益于導(dǎo)電劑顆粒逐漸形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),，為電子傳輸提供了高效路徑,。 然而，當(dāng)導(dǎo)電劑含量超過1.5%后,，電阻趨于平穩(wěn),。含量從1.5%增至1.8%時，電阻率甚至小幅回升,?？赡苁怯捎谶^量導(dǎo)電劑在漿料中發(fā)生局部團(tuán)聚，形成堆積的“導(dǎo)電劑島”,，反而阻礙了電子在活性物質(zhì)間的傳輸,。這一現(xiàn)象表明，導(dǎo)電劑的增效作用存在明確的“飽和點”,，超過該閾值后,，性能提升不再顯著，甚至可能因分散不均導(dǎo)致負(fù)面效應(yīng),。 

圖3. 漿料電阻率隨導(dǎo)電劑比例增加的變化

除了電阻率變化,，導(dǎo)電劑含量對漿料工藝性和生產(chǎn)成本的影響同樣不容忽視。當(dāng)含量超高時粘度也會隨之增高,，高粘度漿料在涂布過程中易出現(xiàn)流平性差,、涂層厚度不均等問題，具體表現(xiàn)為極片表面的“魚鱗紋”缺陷,，直接影響電池的容量一致性,。 

相比漿料層級電阻率的影響,，導(dǎo)電劑對極片層級電阻率的影響更是大家關(guān)注的重點，同時評估漿料電阻率與極片電阻率的關(guān)聯(lián)性可提前對異常工藝階段進(jìn)行截停,，避免時間成本上的浪費,。在本次實驗設(shè)計中進(jìn)一步評估不同導(dǎo)電劑對極片層級的電阻率的影響。如圖4所示,，極片電阻率隨導(dǎo)電劑比例增加而變化,，實驗對同一導(dǎo)電劑含量下的極片采集6個不同位置進(jìn)行電阻率的測定，并結(jié)合電阻率測定結(jié)果進(jìn)行均值及變異系數(shù)的計算分析,。從數(shù)據(jù)上看,，導(dǎo)電劑含量對極片電阻率有顯著影響，當(dāng)導(dǎo)電劑含量為0.5%時,，檢測設(shè)備出現(xiàn)超量程的結(jié)果,，而從1%逐步提升至1.5%時，極片電阻率呈現(xiàn)急劇下降趨勢,，從23604.99Ω*cm降至299.52Ω*cm，降幅呈現(xiàn)數(shù)量級式下降,；隨著導(dǎo)電劑含量的進(jìn)一步增加,，極片電阻率呈現(xiàn)類似于漿料電阻率一樣小幅度回升趨勢，進(jìn)一步明確了導(dǎo)電劑存在增效“飽和點”,，且從數(shù)據(jù)結(jié)果的COV上看導(dǎo)電劑含量達(dá)到1.8%時,，極片層級不同位點的電阻率波動明顯增大，進(jìn)一步印證了達(dá)到導(dǎo)電劑的“性能拐點”后,，可能引起局部團(tuán)聚現(xiàn)象,。如此看來電阻率評估可有效對導(dǎo)電劑含量區(qū)間進(jìn)行預(yù)評估測定，并驗證了導(dǎo)電劑添加需遵循“平衡法則”——既要滿足導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的最低需求,，又需規(guī)避過量添加引發(fā)的性能衰減與成本負(fù)擔(dān),。

圖4. 極片電阻率隨導(dǎo)電劑比例增加的變化

導(dǎo)電劑的“平衡哲學(xué)”

在鋰電池制造中，導(dǎo)電劑的添加絕非簡單的“多多益善”,，而是一場性能,、工藝與成本的精細(xì)博弈。本次實驗表明,，不同含量的導(dǎo)電劑含量的漿料電阻率及極片電阻率可能為當(dāng)前有效區(qū)間評估提供“最優(yōu)解”,，以便時刻結(jié)合具體材料體系和產(chǎn)線條件靈活調(diào)整。未來,，隨著復(fù)合導(dǎo)電劑,、新型分散工藝的突破，有望在更低添加量下實現(xiàn)更優(yōu)性能——而這,，正是一眾鋰電工藝人持續(xù)探索的方向,。

參考文獻(xiàn)

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