導電劑—鋰電池的“隱形橋樑”

在鋰電池的極中，導電劑和黏著劑往往相互混合在一起形成連續的碳膠相，活性顆粒鑲嵌在碳膠相網路中。碳膠相是電子和離子傳導的主要路徑，一方面，導電劑形成相互連通的三維網路，傳導電子，就像人體內的錯綜複雜的神經網路末梢；另一方面，碳膠相內部具有次微米、奈米級的孔隙，電解液填充在這些孔隙內，傳導鋰離子，如同人體內的毛細血管網。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。而導電劑，正是構建這種“神經末梢”和“毛細血管”的關鍵材料。它像一座橋樑，連接活性物質顆粒，降低電阻、提升倍率性能；同時不同的導電劑又會形成不同的孔隙微觀結構，決定離子的有效擴散係數。然而，這座“橋”並非越多越好——含量過低會導致電子傳輸路徑斷裂，電池性能下降；含量過高則可能引發漿料分散不均、製程惡化甚至成本失控。

導電劑在極片中的分佈狀態，不僅受到導電劑種類、形貌等的影響，還受到製程的影響。比如漿料分散是否形成了導電劑均勻分散狀態，比如乾燥過程是否不發生分層而保持了漿料中的優良分佈狀態，比如輥壓過程導電劑是否形成了相互連通的通路，等等。因此，極片的設計和加工是一個複雜的過程。
 

 

近期我們針對不同導電劑含量漿料電阻與極片電阻的關聯性展開實驗，試圖回答產業內的經典難題：如何找到導電劑的“最佳添加量”，讓電池性能、技術穩定性和成本三者實現最佳平衡？在實際生產中，導電劑的添加常面臨兩難選擇：技術層面：導電劑不足時，極片電阻高，電池快充時易發熱、壽命衰減；過量時，漿料粘度上升，塗布易出現裂紋、掉粉。成本層面：導電劑（如導電炭黑、奈米碳管）價格昂貴，含量增加直接引起單噸漿料成本的增加。因此，我們設計了梯度實驗，試圖通過定量分析，為導電劑添加提供科學依據。
 

實驗設計：5組梯度下的多維驗證
1.樣品製備：嚴格控制變數，材料與配比：固定正極材料（LCO）、粘結劑（PVDF）和溶劑（NMP）比例，僅調整導電劑（SP）含量，設置0.5%、1.0%、1.3%、1.5%、1.8%五個梯度，製程條件統一

2.測試設備及方法：結合BSR系列漿料電阻儀及BER系列極片電阻儀對不同導電劑含量的漿料和極片進行測定分析。
 

圖2 漿料電阻測定及極片電阻測試設備示意圖

 

實驗結果：導電劑的“性能轉折點”
漿料中導電劑的理想分佈狀態是導電劑顆粒均勻分散，與活性顆粒形成較強的相互作用，如包覆結構，同時導電劑之間又相互連通。然後後續技術保持導電劑這種理想分佈狀態。圖3為漿料電阻率隨導電劑含量增加的測試結果圖，實驗資料顯示，導電劑含量對漿料電阻、技術性及成本均存在顯著影響，且存在明確的“臨界閾值”。當導電劑含量從0.5%逐步提升至1.5%時，漿料電阻率呈現急劇下降趨勢。這一階段電阻率的快速降低主要得益於導電劑顆粒逐漸形成連續的導電網路，為電子傳輸提供了高效路徑。 然而，當導電劑含量超過1.5%後，電阻趨於平穩。含量從1.5%增至1.8%時，電阻率甚至小幅回升。可能是由於過量導電劑在漿料中發生局部團聚，形成堆積的“導電劑島”，反而阻礙了電子在活性物質間的傳輸。這一現象表明，導電劑的增效作用存在明確的“飽和點”，超過該閾值後，性能提升不再顯著，甚至可能因分散不均導致負面效應。

除了電阻率變化，導電劑含量對漿料工和生產成本的影響同樣不容忽視。當含量超高時黏度也會隨之增高，高黏度漿料在塗布過程中易出現流平性差、塗層厚度不均等問題，具體表現為極片表面的“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，導電劑對極片層級電阻率的影響更是大家關注的重點，同時評估漿料電阻率與極片電阻率的關聯性可提前對異常技術階段進行截停，避免時間成本上的浪費。在本次實驗設計中進一步評估不同導電劑對極片層級的電阻率的影響。如圖4所示，極片電阻率隨導電劑比例增加而變化，實驗對同一導電劑含量下的極片採集6個不同位置進行電阻率的測定，並結合電阻率測定結果進行均值及變異係數的計算分析。從資料上看，導電劑含量對極片電阻率有顯著影響，當導電劑含量為0.5%時，檢測設備出現超量程的結果，而從1%逐步提升至1.5%時，極片電阻率呈現急劇下降趨勢，從23604.99Ω*cm降至299.52Ω*cm，降幅呈現數量級式下降；隨著導電劑含量的進一步增加，極片電阻率呈現類似於漿料電阻率一樣小幅度回升趨勢，進一步明確了導電劑存在增效“飽和點”，且從資料結果的COV上看導電劑含量達到1.8%時，極片層級不同位點的電阻率波動明顯增大，進一步印證了達到導電劑的“性能轉折點”後，可能引起局部團聚現象。如此看來電阻率評估可有效對導電劑含量區間進行預評估測定，並驗證了導電劑添加需遵循“平衡法則”。

結語：導電劑的“平衡”
在鋰電池製造中，導電劑的添加絕非簡單的“多多益善”。本次實驗表明，不同含量的導電劑含量的漿料電阻率及極片電阻率可能為當前有效區間評估提供“最優解”，以便時刻結合具體材料體系和產線條件靈活調整。未來，隨著複合導電劑、新型分散技術的突破，有望在更低添加量下實現更優性能。


資料來源：IEST元能科技
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