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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(cuò)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(jí)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(shí)不同的導(dǎo)電劑又會(huì)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(guò)低會(huì)導(dǎo)致電子傳輸路徑斷裂，電池性能下降；含量過(guò)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(guò)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(guò)程是否不發(fā)生層級(jí)偏析而保持了漿料中的優(yōu)良分布狀態(tài)，比如輥壓過(guò)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(jì)和加工工藝是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。

圖1. 導(dǎo)電劑是鋰電的關(guān)鍵輔助材料

近期我們針對(duì)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(kāi)實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)添加量”，讓電池性能、工藝穩(wěn)定性和成本三者實(shí)現(xiàn)最佳平衡？在實(shí)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(shí)，極片電阻高，電池快充時(shí)易發(fā)熱、壽命衰減；過(guò)量時(shí)，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(jià)格昂貴，含量增加直接引起單噸漿料成本的增加。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了梯度實(shí)驗(yàn)，試圖通過(guò)定量分析，為導(dǎo)電劑添加提供科學(xué)依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：5組梯度下的多維驗(yàn)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(gè)梯度，工藝過(guò)程條件統(tǒng)一。

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

圖2. 漿料電阻測(cè)定及極片電阻測(cè)試設(shè)備示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：導(dǎo)電劑的“性能拐點(diǎn)”

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(shí)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(cè)試結(jié)果圖，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，導(dǎo)電劑含量對(duì)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(shí)，漿料電阻率呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。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(guò)1.5%后，電阻趨于平穩(wěn)。含量從1.5%增至1.8%時(shí)，電阻率甚至小幅回升?？赡苁怯捎谶^(guò)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(diǎn)”，超過(guò)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(duì)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(shí)粘度也會(huì)隨之增高，高粘度漿料在涂布過(guò)程中易出現(xiàn)流平性差、涂層厚度不均等問(wèn)題，具體表現(xiàn)為極片表面的“魚(yú)鱗紋”缺陷，直接影響電池的容量一致性。 

相比漿料層級(jí)電阻率的影響，導(dǎo)電劑對(duì)極片層級(jí)電阻率的影響更是大家關(guān)注的重點(diǎn)，同時(shí)評(píng)估漿料電阻率與極片電阻率的關(guān)聯(lián)性可提前對(duì)異常工藝階段進(jìn)行截停，避免時(shí)間成本上的浪費(fèi)。在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步評(píng)估不同導(dǎo)電劑對(duì)極片層級(jí)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(shí)驗(yàn)對(duì)同一導(dǎo)電劑含量下的極片采集6個(gè)不同位置進(jìn)行電阻率的測(cè)定，并結(jié)合電阻率測(cè)定結(jié)果進(jìn)行均值及變異系數(shù)的計(jì)算分析。從數(shù)據(jù)上看，導(dǎo)電劑含量對(duì)極片電阻率有顯著影響，當(dāng)導(dǎo)電劑含量為0.5%時(shí)，檢測(cè)設(shè)備出現(xiàn)超量程的結(jié)果，而從1%逐步提升至1.5%時(shí)，極片電阻率呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，從23604.99Ω*cm降至299.52Ω*cm，降幅呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)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(shì)，進(jìn)一步明確了導(dǎo)電劑存在增效“飽和點(diǎn)”，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(shí)，極片層級(jí)不同位點(diǎn)的電阻率波動(dòng)明顯增大，進(jìn)一步印證了達(dá)到導(dǎo)電劑的“性能拐點(diǎn)”后，可能引起局部團(tuán)聚現(xiàn)象。如此看來(lái)電阻率評(píng)估可有效對(duì)導(dǎo)電劑含量區(qū)間進(jìn)行預(yù)評(píng)估測(cè)定，并驗(yàn)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(guò)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(jiǎn)單的“多多益善”，而是一場(chǎng)性能、工藝與成本的精細(xì)博弈。本次實(shí)驗(yàn)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(píng)估提供“最優(yōu)解”，以便時(shí)刻結(jié)合具體材料體系和產(chǎn)線條件靈活調(diào)整。未來(lái)，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(shí)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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