碳纳米管——用于锂电池的优异导电剂

1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(SumioIijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”(简称CNT)。理论分析和实验观察发现它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。

一、碳纳米管的物理性质碳纳米管的抗拉强度达到50~200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，高强度的特性使它可作为超细高强度纤维，也可作为其它纤维、金属、陶瓷等的增强材料。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相似，所以被看成具有良好导电性能的一维导线。一维碳纳米管具有非常大的长径比，大量热是沿着长度方向传递的，它的热导性优于金刚石。

1、碳纳米管的导电性碳纳米管、导电石墨、碳纤维具有完整的石墨化结构，材料本征体电阻率相当。然而，一维碳纳米管的管径更细，具有非常大的长径比(表1)，在电极中具有更丰富的导电通路，在复合材料中表现出最低的逾渗阈值，由此为锂电池带来多种优越性能：(逾渗阈值定义：导电剂在基体中形成连续的导电通路或网络所需的临界用量)

(1)显著降低电池内阻。提高电池的快速充电效率和高倍率放电性能。降低电池发热量，延长电池寿命。提高电池的低温性能。

(2)大幅度降低导电剂用量，相应降低粘接剂用量，提高克容量发挥，提高电池的能量密度。

以某种高分子材料为基体，对比不同导电剂的逾渗阈值。数据显示，当形成连续的导电网络，碳纳米管的逾渗阈值仅为其他导电剂的10%~20%。

2、碳纳米管的比表面积碳纳米管的比表面积是其他导电剂的3~10倍。较大比表面积使电池极片具有更高的吸液量和更好的持液能力，有利于电池的使用寿命。

二、碳纳米管在锂电池电极中的分散碳纳米管只有均匀分散在电极中，才能达到良好的导电效果。由于碳纳米管极易团聚，需要将碳纳米管借助合适的分散剂和分散设备进行预分散，碳管极大程度的单分散于NMP有机溶剂中，制成导电浆。在使用时，将添加碳管导电浆的电池浆料采用常规行星搅拌机搅拌即可。导电浆组分见表2。

碳纳米管均匀分散于活性材料之间，或均匀包覆在活性材料表面，搭建成丰富的三维导电网络，而不是类似导电碳黑的点接触导电形式，因此电极具有更好的导电性。

三、碳纳米管对锂电池电极导电性的影响和其他商业化导电剂相比，达到相同导电性，碳纳米管的用量可降低到其他导电剂的20%~50%。以LiFePO4、LiCoO2为例，比较不同导电剂对极片体电阻率(四点法测试)的影响。

碳纳米管用量为导电碳黑的30%左右。

在LiFePO4电极中，添加2%CNT的极片电阻率，与5~6%导电碳黑相当。在LiCoO2电极中，添加0.7~0.8%CNT的极片电阻率，与2%导电碳黑相当。

四、碳纳米管应用于锂离子电池2009年12月，Cnano碳纳米管开始在国内大型锂电池公司批量应用，应用方向为LiFePO4EV电池和消费类电子产品。应用意义有两方面，第一，降低导电剂和粘接剂用量，提高材料克容量发挥，从而提高电池能量密度，此优势在手机电池等消费类产品中体现显著。第二，降低电池发热量，提高倍率性能和循环性能。适用于电动工具、LiFePO4EV或HEV电池。

以下以实例讲述碳纳米管对电池性能的影响。

1、降低电池内阻，提高电池功率密度(8AhLiFePO4叠片软包电池)导电剂用量可降低约50%，同时直流内阻降低15%-25%，功率密度提高15%-30%。碳纳米管可较大程度上提高电池功率性能。

2、降低LiFePO4电池放热量(14AhLiFePO4叠片软包电池，对比试验)由于电池内阻明显降低，同时碳纳米管有良好导热性，由此电池温度降低显著。10C放电温度从68℃降低为49℃。

3、提高电池快速充电效率(8AhLiFePO4叠片软包电池)电池内阻减少30%，恒流充电效率提高显著。

4、20Ah叠片式软包电池(引自Aleees检测报告)碳纳米管和AleeesM121LiFePO4材料搭配应用，电池具有出色的性能。材料克容量发挥高，倍率性能和循环性能优异。

4.1电池参数AleeesM121LiFePO4材料，20Ah叠片式软包电池，单面面密度120mg/cm?，压实密度2.1~2.15g/cm?，电极配比1%CNT+3%SP+1%KS6+4%PVDF5130+91%LiFePO4，极片SEM见图2。

4.2性能测试(1)基础数据克容量发挥进一步提高，电池内阻降低(2)倍率放电性能电池具有较高的功率密度。9C的放电效率100.03%，放电平台非常平稳。

(3)1C循环性能由以下循环图可知，电芯的循环容量衰减率很小，724周容量仅衰减了2.5%，理论上推测电芯的循环寿命，可以达到5000多周。

碳纳米管是纳米材料中开发价值最高的纳米材料之一，目前已在锂离子电池、导电塑料领域广泛商业化应用。同时，由于碳纳米管所具有的独特性能，各国研究人员广泛开展了碳纳米管在储氢材料、超级电容器、平板显示器、传感器、信息存储等领域的应用开发。随着研究领域新的发现，碳纳米管的应用领域将会越来越广，其蕴藏的潜在的巨大经济价值将随着人们对它的认识的不断加深而充分体现出来