電池是一個(gè)整體，往往牽一發(fā)而動(dòng)全身。隨著新能源整車對(duì)高能量密度、快充電池的需求增長，碳納米管作為一種新型的導(dǎo)電劑，被用來拉升動(dòng)力電池性能的三大關(guān)鍵指標(biāo)，能量密度、倍率性能和循環(huán)壽命。
碳納米管應(yīng)用加速
導(dǎo)電劑，鋰離子電池關(guān)鍵輔材之一，應(yīng)用于正負(fù)極材料，核心指標(biāo)導(dǎo)電性、添加量深系動(dòng)力電池的能量密度和快充能力。傳統(tǒng)導(dǎo)電劑包含炭黑、VGCF等；新型導(dǎo)電劑包含碳納米管和石墨烯。
導(dǎo)電劑相當(dāng)于一條條高速公路，讓電子暢行在正負(fù)極與集流體間。高效的導(dǎo)電劑應(yīng)該均勻地附著在正負(fù)極材料上，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證電流的暢通。
炭黑、碳納米管等傳統(tǒng)、新型導(dǎo)電劑都是由碳原子組成，但組成方式不同，也就導(dǎo)致它們的形態(tài)有很大的差異，最終影響性能表現(xiàn)。
炭黑、石墨都是顆粒狀導(dǎo)電劑，碳納米管則是纖維狀導(dǎo)電劑，石墨烯為片狀導(dǎo)電劑。顆粒狀導(dǎo)電劑有一定粘附性，但是沒有方向性，難以形成連貫的導(dǎo)通通路。而纖維狀導(dǎo)電劑，在長度和寬度上具有延展性，更容易構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)。
碳納米管，是由單層或多層六元碳環(huán)無縫地卷成一個(gè)管子，具有管徑小、長徑比大、比表面積大的特點(diǎn)，相比顆粒狀導(dǎo)電劑能夠在低添加量下更好地形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在活性材料間建立高度導(dǎo)電和持久的連接。 相同的導(dǎo)電能力下，碳納米管的添加量一般為正負(fù)極的0.5%-1%，而炭黑則需要2%-3%的添加量。更少的添加量可提升正負(fù)極活性物質(zhì)含量，進(jìn)而提升能量密度。
導(dǎo)電性、添加量之外，選擇正極導(dǎo)電劑的因素還包含成本。傳統(tǒng)炭黑導(dǎo)電劑用量大且性能一般，但成本低。碳納米管性能優(yōu)，用量更低，但價(jià)格貴。
因此，目前動(dòng)力電池行業(yè)對(duì)導(dǎo)電劑的應(yīng)用傾向于，磷酸鐵鋰和三元鋰正極材料現(xiàn)多采用復(fù)合導(dǎo)電劑，提升能量密度；硅負(fù)極若要產(chǎn)業(yè)化，碳納米管是最匹配的導(dǎo)電劑。
主流導(dǎo)電劑性能比較，圖片來自網(wǎng)絡(luò)
比亞迪刀片電池、特斯拉4680等磷酸鐵鋰和三元鋰電池等均在正極材料中采用了碳納米管導(dǎo)電劑。 產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)多采用新型傳統(tǒng)復(fù)合導(dǎo)電漿料如炭黑+碳納米管、碳納米管+石墨烯、炭黑+碳納米管+石墨烯等。
負(fù)極材料對(duì)碳納米管來說將是一個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)。當(dāng)動(dòng)力電池產(chǎn)品體系沿著高比能電池路線發(fā)展時(shí)，硅負(fù)極材料作為下一代負(fù)極材料引起廣泛的關(guān)注。硅負(fù)極的優(yōu)勢(shì)是能量密度高，劣勢(shì)是成本高+易膨脹。在電池充放電過程中，硅的體積膨脹幅度高達(dá)300%，從而出現(xiàn)裂縫，發(fā)生硅負(fù)極顆?；?，且顆粒之間連接斷裂，最終導(dǎo)致硅負(fù)極電池的快速衰竭。
圖片來自網(wǎng)絡(luò)
碳納米管被視為最匹配硅負(fù)極的導(dǎo)電劑。 與炭黑等傳統(tǒng)導(dǎo)電劑相比，碳納米管憑借高強(qiáng)度的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于易粉化、易脫落的硅基負(fù)極而言可提升連接強(qiáng)度，因此替代炭黑的趨勢(shì)愈發(fā)明顯。目前碳納米管已在硅負(fù)極材料中迎來應(yīng)用突破。
控制比表面積，改善使用效果
碳納米管自帶高導(dǎo)電性光環(huán)，但有著分散性差的缺陷，可能導(dǎo)致實(shí)際導(dǎo)電性能低于理論性能，因而也在一定程度上阻礙了商業(yè)化應(yīng)用。
根據(jù)管徑的不同，碳納米管分為細(xì)管和粗管。管徑越細(xì)，長徑比越高，導(dǎo)電性越優(yōu)異。細(xì)管導(dǎo)電性好，相同使用量性價(jià)比高，但不易分散。而粗管好分散，但導(dǎo)電性稍差。目前不少碳納米管企業(yè)為了追求高導(dǎo)電性，而不斷縮小管徑。
碳納米管的比表面積與分散性存在強(qiáng)相關(guān)。管徑越小，比表面積越大，碳納米管的結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，越容易團(tuán)聚，難以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。因此 在追求管徑的過程中，也要考慮比表面積的控制及對(duì)使用效果的影響。
汽車行業(yè)已出現(xiàn)碳納米管導(dǎo)電漿料被退回的事例，原因之一就在于漿料公司提供的碳納米管使用效果差。
出于應(yīng)用效果的考慮，廣盛達(dá)科技提出，就鎳系粗碳納米管在導(dǎo)電漿料里的應(yīng)用，除了電阻率，比表面積指標(biāo)在生產(chǎn)漿料時(shí)的重要性顯得尤其明顯：比表面積60-80m2/g以上會(huì)導(dǎo)致漿料粘度大，不容易被分散，且碳納米管在添加過程中易碎最終導(dǎo)致漿料效果很差甚至無法使用。
圖：GSD98規(guī)格書，由廣盛達(dá)提供
這一經(jīng)過規(guī)模生產(chǎn)驗(yàn)證的指標(biāo)，可以幫助企業(yè)更加高效地生產(chǎn)碳納米管，降低產(chǎn)業(yè)化過程中的試錯(cuò)成本，加快應(yīng)用的步伐。好比蹣跚學(xué)步的孩子終于摸準(zhǔn)竅門，能夠熟練調(diào)度各部位的肌肉，快步行走。
碳納米管的“幕后龍頭”
廣盛達(dá)科技，碳納米管的“幕后龍頭”，同時(shí)具備制備和提純兩大能力。自2014年展開提純工序，后再度延伸到上游制備工序，批量生產(chǎn)的碳納米管粉體已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
碳納米管生產(chǎn)流程分為制備、提純、分散三段，技術(shù)壁壘主要體現(xiàn)為催化劑配方、生產(chǎn)設(shè)備、工藝技術(shù)、純化等方面。
目前，碳納米管粉體的主流制備方法是化學(xué)氣相沉積法，催化劑必不可少。用于碳納米管制備的金屬催化劑有鎳、鐵、鈷等，因此按照催化劑的不同，碳納米管可細(xì)分為鎳系、鐵系、鈷系等。廣盛達(dá)目前主要生產(chǎn)的是鎳系碳納米管。制備后得到的為碳納米管粗品，經(jīng)過強(qiáng)酸洗滌等純化工藝，才能得到碳納米管純品。純化后的碳納米管性能如何，主要取決于工藝能力。
就國內(nèi)鎳系碳納米粗管的純化成效來看，廣盛達(dá)的提純工藝能保證灰分在1.5%以內(nèi)。 而部分企業(yè)或因生長原因，不太容易提純，或者無法將灰分做到1.5%以內(nèi)?；曳忠话闶且恍堄嗟拇呋瘎┹d體、金屬氧化物等，在碳納米管成品中相當(dāng)于雜 質(zhì)?；曳衷降?，碳含量純度更高，碳納米管的性能發(fā)揮得越充分。
圖：廣盛達(dá)提純?cè)O(shè)備
不少碳納米管漿料生產(chǎn)企業(yè)純化多采用委外加工，但隨著碳納米管由多壁向單壁發(fā)展，應(yīng)用向高鎳三元和硅負(fù)極滲透，新一代碳納米管對(duì)產(chǎn)品純化要求提高，不少企業(yè)開始投建上游工序產(chǎn)能，以提高產(chǎn)品質(zhì)量等。
同時(shí)新材料的商業(yè)化滲透，一方面要面對(duì)低成本傳統(tǒng)材料的性價(jià)比競(jìng)爭，另一方面要生產(chǎn)足夠的規(guī)模才能具備成本優(yōu)勢(shì)。
廣盛達(dá)在多年經(jīng)營之下，已建立碳納米管在提純和制備方面的工藝優(yōu)勢(shì)和規(guī)模優(yōu)勢(shì)。
聯(lián)系客服
