[电池完全征服](27)轮胎和鞋底材料也用在电池上…什么是“导电剂”

by Kang Heejong

Published 09 Mar.2024 08:00(KST)

Updated 14 Mar.2024 11:20(KST)

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编者按当下是电池时代。手机、笔记本电脑、电动汽车等几乎所有地方都有电池。[电池完全征服]栏目，面向想了解电池的一般读者、学生以及关注电池产业和相关企业的投资者，力求以通俗易懂的方式介绍电池基础知识与生态体系、企业信息、产业走势与前景。每周六与读者见面。

LG电子于2017年1月发布了在减轻重量的同时大幅延长续航时间的笔记本新品“All-day Gram”。这款笔记本所搭载的电池采用了此前从未使用过的特殊材料。

2014年首次亮相的“Gram”笔记本，凭借超薄机身和轻量化设计人气颇高，但也因续航时间短而饱受诟病。用户不得不额外携带充电器或移动电源。

LG电子个人电脑开发团队开始思考，在不改变重量的前提下提升电池续航时间的方案。起初曾考虑通过减薄隔膜厚度来实现，但因起火风险被提出而被排除。经过反复权衡，开发团队决定在导电材料中应用当时备受关注的新材料——碳纳米管（CNT）。结果大获成功。

采用碳纳米管导电材料以延长电池续航时间的LG电子2017年款“All Day Gram”笔记本电脑。

采用CNT导电材料后，电池可用容量较以往提升了1.7倍。该产品搭载了60瓦时（Wh）电池，一次充电最多可使用24小时。即便电池容量增加，笔记本重量却不升反降或仅略有增加。以13.3英寸产品为例，重量为940克，比原来减轻了40克；14英寸产品为970克，减轻了10克。

导电材料是活性物质的“助手”

导电材料，从汉字意思看就是“导电的材料”。在锂离子电池中，导电材料起到在正极与负极活性物质之间促进电子移动的作用。它连接活性物质，使其具备电学特性。

锂离子电池通过锂离子和电子在正负极之间往返运动而工作，但正负极活性物质本身的电导率较低，因此需要额外加入导电材料以提高导电性。

此外，导电材料还能保持活性物质之间的间距，降低接触电阻，并帮助电解液更容易渗透。

导电材料用英语称为conductive additive，即“赋予导电性的添加物”。也称为conductive agent（导电剂）。

图片由LG能源解决方案提供

导电材料用于二次电池制造的第一道工序——混料（mixing）工序。混料工序是指将活性物质、导电材料和粘结剂一起加入，混合成浆料（slurry）的过程。活性物质是电池正极材料和负极材料中通过化学反应产生电能的活性物质。粘结剂是一种类似胶粘剂的物质，使活性物质与导电材料牢固结合。

之后通过将制成的浆料涂布到集流体上来制作电极。导电材料在电极中所占比例不高，但在最大化电极性能方面却起着极其重要的作用。相反，如果导电材料不足或未能发挥应有作用，活性物质就难以充分反应，电池容量将会下降。

在整个电极中，活性物质、导电材料和粘结剂按重量计的比例约为95:5:5。近年来，随着导电材料性能的提升，其比例正逐步下降。导电材料含量减少后，可相应增加活性物质的用量，从而提高能量容量。这也是采用高性能导电材料可以提升电池容量的原因。

曾是轮胎·鞋底材料的炭黑，走上导电材料之路

优质导电材料需要满足多项条件。首先，添加导电材料的最大目的在于提高电导率，因此其本身必须具备优异的导电性。同时，又不能与电解质发生不必要的氧化还原反应。

在电极工艺中，浆料会在干燥后经历高压压实过程。因此，导电材料必须在高压条件下仍能保持足够的强度。

用于二次电池的导电材料包括金属系（银粉、铜粉、镍粉等）、金属氧化物系（氧化锡、氧化铁、氧化锌等）、碳系（炭黑、石墨、碳纳米管等）、复合材料（复合粉末、复合纤维等）。

其中应用最广的是碳系导电材料。碳基导电材料具有成本低、重量轻的优点。典型的碳系导电材料包括炭黑（carbon black）、细粒石墨、碳纳米管（CNT）、类石墨烯（Graphene-like）等。为提升导电性及其他特性，也会同时使用两种以上的导电材料。

迄今为止，使用最多的导电材料是炭黑。直译“carbon black”就是“碳黑”。它是由碳构成的物质在不完全燃烧过程中产生的烟尘。据说在古代中国，人们会收集这类烟尘代替墨使用。

炭黑。图片来源维基百科提供

在现代工业中，炭黑通常通过对石油或天然气等烃类物质进行不完全燃烧或热分解制得。炭黑具有独特特性，被广泛用作各种领域的工业材料。

首先，它被用作油墨或涂料等的色素。打印机墨水或碳粉中也含有炭黑。尤其是在橡胶中加入炭黑，可提高强度、耐磨性和耐热性，因此成为轮胎、鞋底等橡胶工业的必需材料。实际上，炭黑最大的用途就是轮胎，约占其需求的70%。

通过热分解工艺生产的炭黑电导率优异，也被用作电池导电材料。目前通常按电极总重量计，正极中添加2%~3%，负极中添加0.5%~1%的炭黑。

近年来，将石墨烯或石墨加入炭黑以强化导电材料性能的趋势愈发明显。石墨烯是由碳原子构成的薄膜。六个碳原子构成蜂窝状的二维平面结构。其电导率和强度都十分优异，因此可用作导电材料。

CNT迅速崛起为二次电池导电材料

近年来，CNT作为导电材料备受关注。CNT是由六角形石墨烯层像管子一样卷曲而成的结构。CNT由日本电气公司NEC的Iijima Sumio博士于1991年发现。

根据结构不同，如果碳管只有一层壁，则称为SWCNT（Single Wall CNT，单壁碳纳米管）；如果有多层壁，则称为MWCNT（Multi Wall CNT，多壁碳纳米管）。不同结构在力学、电学、化学性质上各不相同。随着技术进步，人们已能够人工构筑特定结构的CNT，其中SWCNT相比MWCNT更难制备，价格也昂贵得多。

CNT的直径为数纳米（nm），长度则为数微米到数十微米（μm）。其直径仅为人类头发丝的十万分之一，但强度约为钢铁的100倍，并具有堪比铜的电导率。

碳纳米管（CNT）的类型及结构。图片来源=韩国电子通信研究院

尽管CNT性能优异，但由于价格高昂，曾长期难以找到大规模应用领域。然而，近几年随着二次电池市场的扩张，CNT迅速崛起为导电材料新星。据悉，在二次电池电极中使用CNT后，相比传统炭黑用量可减少约30%，而导电性则可提升约10%。

与炭黑相比，CNT作为导电材料所需用量更少，从而可以额外添加更多活性物质，以提升电池性能。同时，还能减少昂贵粘结剂的用量，这也是其一大优势。

CNT导电材料也作为硅基负极材料用导电剂而备受关注。硅基负极材料与传统石墨负极材料相比，可大幅提升能量容量，但因存在体积膨胀问题，目前主要以在原有石墨中少量添加、比例约5%上下的方式使用。由于CNT导电材料对抑制硅基负极材料膨胀具有一定效果，因此可以提高其添加比例。作为负极用导电材料的是SWCNT。（关于硅基负极材料，可参见“电池完全征服”第11期）

不过，尽管CNT在导电性、耐热性、强度等方面表现突出，但也存在易团聚这一局限。由于CNT在溶剂中不易分散、易结团，因此需要提升分散性的技术。据业内了解，目前多采用预先将CNT分散于溶液中，或制成复合体后再使用的方式。

“2030年将成2.8万亿市场……MWCNT占60%”

随着锂离子电池市场增长，导电材料的用量和市场规模也将同步扩大。市场调研机构SNE Research预计，锂离子电池用导电材料市场规模将从2022年的8亿美元增长至2030年的21亿美元（约2.8万亿韩元），年均增长率约为12%。

其中，MWCNT市场将从2022年的2.9亿美元增至2030年的12.5亿美元，占整体市场约60%。尽管SWCNT需求量较少，但由于单价高，预计到2030年其市场份额仍将达到29%。

相对而言，炭黑和细粒石墨的使用比例将逐步下降，预计到2030年其市场占有率将缩减至约10%。

炭黑的主要供应商包括美国的Cabot、日本的Denka和Lion，以及瑞士的Imerys。

在MWCNT领域，韩国的LG化学、JEO，中国的Cnano、Dazhan、Timesnano、DHnano，以及美国Cabot子公司SUSN等企业正展开激烈竞争。

LG化学自2011年起着手研究用于二次电池市场的CNT，并于2014年自主开发出相关技术，目前向LG能源解决方案供应CNT导电材料。

LG化学研究员正在检查碳纳米管导电材料。LG化学供图

LG化学于2017年首次投运年产500吨规模的CNT一工厂，截至包括三工厂在内，至2023年共拥有2900吨的产能。待位于忠清南道大山的CNT四工厂于2025年完工后，产能将扩大至6100吨。

JEO于2006年率先在韩国实现MWCNT量产，并于2014年开发出薄壁碳纳米管（TWCNT，Thin Wall CNT）。其向SK On和CATL供应CNT导电材料，并计划在2025年前将年产能扩大至5000吨。

在SWCNT领域，总部位于卢森堡的OCSiAl占据90%以上的市场份额。在韩国，Coborn和Nano New Materials等企业也已进入SWCNT市场。

<参考文献>

inews24，《LG Gram新武器是“电池”……无需随身携带充电器》，2017.1.12
LG经营研究院，《碳纳米管产业化进展加速》，2018.11.16
LG能源解决方案，《Battery Inside——正极、负极皆可覆盖！CNT导电材料》，2022.8.4
Hi投资证券，《二次电池产业现状及展望》，2022.11.28
SNE Research，《锂离子二次电池导电材料开发现状及中长期展望》，2023.11.30

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。