锂离子电池中的电子接力手：导电剂
当代生活已经离不开各种电子设备，而这些设备离不开电池，其中大部分都是锂离子电池。相比于其他类型电池，锂离子电池具有低成本、环境友好、高比能量、无记忆效应、质量轻等特点，因此已成为通讯设备、娱乐设备、电动汽车、医疗设备等的重要组成部分。
锂离子电池中，正极一般采用过渡金属氧化物为活性材料，例如层状钴酸锂、镍酸锂、镍钴酸锂或磷酸铁锂等，负极则采用石墨、硅基材料等作为活性材料。不过由于这些正极材料的活性物质导电性差，使得电极的内阻较大，导致活性物质的利用率低，严重影响了电池的性能；而硬碳、石墨等活性材料虽然导电性良好，但是在多次充放电循环过程中会发生膨胀收缩，导致活性材料之间产生不良接触。因此为了提高活性物质的利用率，改善电池性能，就需要选取具有优良导电性、低密度、结构及化学性能稳定的材料添加至活性材料中，这些材料被称为“导电剂”。
锂离子电池的材料构成
导电剂的首要作用是提高电子电导率，它作为锂离子电池关键非主材之一，虽然在电池中所占的份量较少，但很大程度地影响着锂离子电池的性能（电池循环性能、容量发挥、倍率性能）。在电池中，导电剂能在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，以减小电极的接触电阻加速电子的移动速率，同时也能有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率，从而提高电极的充放电效率。
导电剂的类型很多，包括金属系导电剂（银粉、铜粉、镍粉等）、金属氧化物系导电剂（氧化锡、氧化铁、氧化锌等）、碳系导电剂（炭黑、石墨等）、复合导电剂（复合粉、复合纤维等）等。
但由于锂离子电池中的导电剂不能参加电池中的氧化还原反应，要有很高的抗酸碱腐蚀能力，因此金属系和金属氧化物系导电剂就这样被PASS了。而碳系导电剂不仅能满足上述条件，还具有低成本，质量轻等特点，因此顺理成章成为锂离子电池中的主流导电剂类型。
和锂离子电池电极材料一样，导电剂也在不断的进化，从最早的炭黑材料，其特点是点状导电剂，也可以称作零维导电剂，主要通过颗粒之间的点接触提高导电性；到后来，逐渐发展出了导电碳纤维和碳纳米管这一类具有一维结构的导电剂，由于其纤维状结构，增大了与电极材料颗粒的接触，大大提高了电极的导电性，降低了极片电阻；到最近火热的石墨烯材料，其二维的片层状结构能极大地增加电极颗粒之间的接触，提高导电性，并降低导电剂的用量，提高锂离子电池的能量密度。下面便来一起看看它们的功效差异。
炭黑是小颗粒碳和烃热分解的生成物在气相状态下形成的熔融聚合物的总称，是一种由球形纳米级颗粒团聚成多簇状和纤维状的团聚物结构，粒径几乎是导电石墨粒径的十分之一。根据导电能力大小，可以分为导电炭黑、超导电炭黑和特导电炭黑。
油的吸附值(OAN)与原子的结构性成正比例关系，OAN值越大，表示炭黑结构度越高，容易形成难以破坏的导电网络通道。越细的炭黑颗粒，其结构度越高，炭黑颗粒之间形成的网状链堆积越紧密，有利于在聚合物中形成链式导电结构。缺点是OAN值高的导电炭黑对聚合物粘结剂、液态和聚合物电解质的吸附能力比较强，分散性较差。
石墨导电剂基本为人造石墨，与负极材料人造石墨相北，作为导电剂的人造石黑具有更小的颗粒度，一般为3~6μm，且孔隙和比表面更发达，也具有较好的导电性，其本身颗粒较接近活物质颗粒粒径，颗粒与颗粒之间呈点接触的形式，可以构成一定规模的导电网络结构，有利干改善极片颗粒的压实以及提高离子和电子电导率，同时用于负极时更可提高负极容量。导电石墨具有更好的压缩性和分散性，可提高电池的体积能量密度和改善极片的工艺特性，一般配合炭黑使用。
纤维状导电剂主要包括碳纤维及碳纳米管，碳纳米管又可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管：
①碳纤维（VGCF）
导电碳纤维具有线性结构，在电极中容易形成良好的导电网络，表现出较好的导电性，因而减轻电极极化，降低电池内阴及改善电池性能。在碳纤维作为导电剂的电池内部，活物质与导电剂接触形式为点线接触，相于导电炭黑与导电石墨的点点接触形式，不仅有利于提高电极导电性，更能降低导电剂用量，提高电池容量。另外，添加纳米碳纤也能提高正负极导热系数，利于散热，所以VGCF很适合用作需要长寿命、高输出的汽车用锂离子电池等的添加材料。
②碳纳米管(CNT)
CNT可以分为单壁CNT和多壁CNT，一维结构的碳纳米管与纤维类似呈长柱状，内部中空。碳纳米管具有良好的电子导电性，纤维状结构能够在电极活性材料中形成连续的导电网络，其与活物质也是呈点线接触形式，对于提高电池容量（提高极片压实密度）、倍率性能、电池循环寿命和降低电池界面阻抗具有很大的作用。添加碳纳米管后极片有较高的韧性，能改善充放电过程中材料体积变化而引起的剥落，提高循环寿命。碳纳米管也可大幅度提高电解液在电极材料中的渗透能力。但由于CNT直径小、长径比大，在范德华力的作用下，极易发生团聚，影响其导电效果。因此，CNT作为锂离子电池的导电剂，需要解决的主要问题是CNT的分散性，要求其在浆料中要分散良好。
石墨烯是具有sp2杂化轨道的二维碳原子晶体，导电导热性优良。其单独单独作为负极材料时，虽然其初始容量较高，但是随着充放电，电池的容量会快速衰减，所以它的应用更多集中在作为导电剂添加，以提高导电性。
石墨烯作为新型导电剂时，与活性物质的接触为点面接触而不是常规的点点接触形式，这样可以最大化的发挥导电剂的作用，减少导电剂的用量，从而可以多使用活性物质，提升锂电池容量。作为导电剂的效果与其加入量密切相关.在加入量较小的情况下，石墨烯由于能够更好地形成导电网络，效果远好于导电炭黑。但是片层较厚的石墨烯会阻碍锂离子的扩散而降低极片的离子电导率（一般认为6-9层最为适宜）。
导电剂的形态、种类各异，其微观结构是影响导电性能的重要因素。从炭黑到碳纤维再到现在的石墨烯，导电剂一直在进步。但在实际使用过程中，还需要结合实际材料的种类、匀浆的方式、需要满足的电池性能等多方面去考虑如何选择一个合适的导电剂以及含量。未来还会不会有更多、更好的导电剂出现呢？让我们拭目以待。
资料来源：
锂离子电池导电剂的研究进展，陈志金，张一鸣，田爽，刘兆平。
粉体圈整理