鋰離子電池極片中，活性顆粒，特別是正極顆粒的電子電導(dǎo)率很低，導(dǎo)電劑三維網(wǎng)絡(luò)是電子傳輸?shù)闹饕窂?。在進行鋰離子電池設(shè)計時我們應(yīng)根據(jù)不同的活性物質(zhì)材料、不同目的(改善倍率性能、循環(huán)性能、提高不可逆比容量)而選取匹配的導(dǎo)電劑。導(dǎo)電劑的材料、形貌、粒徑、攪拌順序、添加量與不同類型導(dǎo)電劑的復(fù)合狀態(tài)都對鋰離子電池有著不同方面的影響。
導(dǎo)電劑在電極中的理想分布狀態(tài)如圖1中structure3所示：1)導(dǎo)電劑均勻分散，在活性物質(zhì)顆粒表面形成導(dǎo)電薄層；2)導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)顆粒表面緊密接觸，使電子能夠有效參與脫/嵌鋰反應(yīng)；3)導(dǎo)電劑之間相互連通導(dǎo)電，從集流體到每一個活性物質(zhì)顆粒形成電子通路。
圖1 導(dǎo)電劑分布狀態(tài)
導(dǎo)電劑在電極中的作用是提供電子傳輸?shù)耐ǖ?，?dǎo)電劑含量適當能獲得較高的放電容量和較好的循環(huán)性能，含量太低則電子導(dǎo)電通道少，不利于大電流充放電,會導(dǎo)致電極中活性物質(zhì)利用率低; 太高則降低了活性物質(zhì)的相對含量，使電池比能量降低。
導(dǎo)電劑用量理論模型
根據(jù)導(dǎo)電劑的理想分布狀態(tài)，提出一個理論估算極片導(dǎo)電劑用量的方法。假設(shè)活性材料的比表面積為S（m2/g），理想狀態(tài)下，其表面上均勻包覆一層導(dǎo)電劑，如圖1所示，導(dǎo)電劑層的厚度為h（nm），那么每1g活性物質(zhì)需要的導(dǎo)電劑體積為：
V=S*（h*10e-9）（m3）
再假設(shè)導(dǎo)電劑顆粒的直徑為d（nm），即顆粒狀SP導(dǎo)電劑的顆粒直徑，或者CNT的管徑等于d，而導(dǎo)電劑的密度為p（g/cm3）。
如果取h=d，那么每1g活性物質(zhì)需要的導(dǎo)電劑質(zhì)量為：
m2=（p*10e6）*V
=（p*10e6）*S*（d*10e-9）（g）
類似的，如果取h=2d，那么每1g活性物質(zhì)需要的導(dǎo)電劑質(zhì)量為：
m2=（p*10e6）*V
=（p*10e6）*S*（2*d*10e-9）（g）
即活性物質(zhì)質(zhì)量m1與導(dǎo)電劑質(zhì)量m2比值為1/m2，這樣就確定了導(dǎo)電劑的用量。實際使用該方法進行計算時，主要需要獲取的參數(shù)是材料的比表面積、導(dǎo)電劑粒徑、導(dǎo)電劑層的厚度和導(dǎo)電劑的密度，可以通過實驗測試、根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗擬合獲取。
下面舉例，表1為高鎳正極材料的特性參數(shù)，NCA和NCM811比表面積分別為0.65m2/g，0.25m2/g。表2為導(dǎo)電劑特性參數(shù)，SP、CNT粒徑分別為40nm、5nm，如果導(dǎo)電劑密度為2.05g/㎝3。
表2 常見導(dǎo)電劑參數(shù)
以導(dǎo)電劑sp為例，根據(jù)前面理論模型，如果h=d，則對于NCA正極，有：
m2=(p*10e6)*S*(d*10e-9)（g）
=(2.05*10e6)*0.65*(40*10e-9)（g）
=0.0533（g）
即NCA：SP=100:5.33。
對于NCM811正極，有：
m2=(p*10e6)*S*(d*10e-9)（g）
=(2.05*10e6)*0.25*(40*10e-9)（g）
=0.0205（g）
即NCM811:SP=100:2.05。
如果采用CNT，對于NCM811，則有
m2=(p*10e6)*S*(d*10e-9)（g）
=(2.05*10e6)*0.25*(10*10e-9)（g）
=0.0052（g）
即NCM811:CNT=100:0.52，而NCA:CNT=100:1.33
由此可見，導(dǎo)電劑的用量和活性材料的比表面積、導(dǎo)電劑材料的粒徑等有關(guān)?；钚晕镔|(zhì)比表面積越大，導(dǎo)電劑粒徑越大，導(dǎo)電劑用量越多。CNT用量比SP少很多，但是CNT更難在活性物質(zhì)顆粒表面形成包覆層。
文獻實驗結(jié)果表明，復(fù)合導(dǎo)電劑配方有利于電池性能的提升，其中顆粒狀導(dǎo)電劑主要是緊密包覆在活性物質(zhì)顆粒表面，形成短程導(dǎo)電路徑，而一維導(dǎo)電劑鏈接各個顆粒，形成長程導(dǎo)電路徑。因此，顆粒狀導(dǎo)電劑還是可以根據(jù)以上理論模型估算用量。一維導(dǎo)電劑用量需要根據(jù)極片壓實密度確定。
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