導電炭黑及碳納米管對高電壓三元電池性能的影響

王贊霞 郭爭光 朱偉鋒 劉吉云

摘 要：本研究采用高電壓三元材料作為正極活性材料，研究不同比例的導電炭黑（SP）和碳納米管（CNTs）對正極片及軟包電池性能的影響。研究表明，隨著CNTs含量的增加，正極片的附著力增大，面電阻和反彈減小，且電池的倍率性能、低溫性能和循環性能均得到提升。1.0 %CNTs電池在15 C倍率下放電容量保持率為99.7%，-40 ℃低溫放電拐點電壓為2.904 V，常溫1 C、5 C充放循環600次后容量保持為97.9%。

關鍵詞：碳納米管;導電炭黑;倍率性能;低溫性能

中圖分類號：TQ131.11 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0043-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.009

Effects of Carbon Black and Carbon Nanotube on Performance of High Voltage Ternary Battery

WANG Zanxia? ? GUO Zhengguang? ? ZHU Weifeng? ? LIU Jiyun

（Luoyang-Energy Storage and Transformation System Co.，Ltd.，Luoyang 471003，China）

Abstract：The effects of different ratios of conductive carbon black （SP） and carbon nanotube （CNTs） on the performance of positive electrode and battery were studied by using high-voltage ternary material.The test showed that with the increase of CNTs content，the positive electrode adhesion increased，surface resistance and rebound decreased.Electrical performance test showed with the increase of CNTs content the battery has better rate performance，low temperature performance and cycle performance.When the CNTs was 1.0 %，the capacity retention rate was 99.7% at 15 C，discharge inflection point voltage was 2.904 V at -40 ℃，and the capacity retention was 97.9% after 600 cycles of 1 C/5 C at room temperature.

Keywords：carbon nanotubes;conductive carbon black;rate performance;low temperature performance

0 引言

在鋰離子電池中，正極材料對電池性能起著決定性的作用，常用的正極材料有磷酸鐵鋰（LFP）、鈷酸鋰（LCO）、三元鎳鈷錳（NCM）等材料。磷酸鐵鋰材料的結構是橄欖石結構，具有優良的安全性能和循環性能，但該材料的離子和電子電導率低，倍率性能相對較差;鈷酸鋰材料的生產工藝簡單[1]、放電電壓高，但其存在抗過充能力差、價格昂貴且會污染環境等缺點;鎳鈷錳三元材料是由鎳、鈷、錳三種元素組成的材料，三種元素之間具有良好的協同效應，具有比容量高、層狀結構穩定和熱穩定性能好等優點[2-3]，但存在電子導電率低、大電流下穩定性差、陽離子易混排導致鋰離子的傳輸受阻和倍率性能降低等問題，可通過摻雜改性和表面修飾來改善其性能[4-5]。導電劑作為連接活性物質與活性物質、活性物質與集流體之間的橋梁，被填充在活性材料顆粒間，可形成有效的導電網絡，在鋰離子電池中起到至關重要的作用。

常見的導電劑主要分為顆粒狀導電劑（如乙炔黑、導電炭黑等）、纖維狀導電劑（如碳納米管、碳纖維）等[6]。本研究主要研究導電炭黑和碳納米管不同混合比例對極片的黏附力、面電阻、電池倍率、低溫放電、存儲和循環等性能的影響。

1 試驗

1.1 極片制備

將高電壓三元正極材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、黏結劑聚偏氟乙烯（PVDF）、導電炭黑（SP）和碳納米管（CNTs）按照表1中的配比進行混合，再加入溶劑N-甲基吡咯烷酮（NMP），制備成正極漿料。將三種不同漿料均勻地涂覆在15 μm厚的鋁箔上，制備成正極卷。將負極活性物質人造石墨、導電炭黑SP、黏結劑CMC和SBR按照94.8%∶1.5%∶1.5%∶2.2%的配比進行混合，加入去離子的水制備成負極漿料，將其均勻涂覆在8 μm厚的銅箔上，制備成負極卷。將正負極卷進行輥壓、切片，制備成試驗所需的正極片和負極片。

1.2 軟包全電池制備

采用疊片的方式將三種不同的正極片分別與隔膜、負極片制成電芯，經鋁塑膜封裝后放入85 ℃的環境中真空干燥36 h，干燥后注入電解液進行封口，常溫擱置24 h后化成電池，化成后的電池進行抽氣封裝、定容，最終制成額定容量為15 Ah的軟包電池。

1.3 性能測試

1.3.1 正極片性能測試。用CMT6104萬能拉力機對正極片進行極片附著力測試;用HIOKI內阻儀測試正極片面的電阻，測量結果僅適用于對比分析;用Mitutoyo千分尺測試極片經輥壓48 h前后的厚度變化，計算極片的反彈率。67AFF4B9-3131-4509-9B83-4B82DAE0F3EC

1.3.2 容量和首效率測試。在室溫環境中，用CT-4032-5 V 30 A充放電設備對軟包電池進行化成和容量標定，充放電電壓范圍為3.00～4.35 V，采用1 C/1 C充放電循環2周，得出電池容量。

1.3.3 倍率和循環性能測試。在室溫下，用PEBC05-200充放電設備對電池進行充放電測試，倍率測試時充電倍率為1 C，放電倍率分別為1 C、5 C、10 C、15C;循環時充電倍率為1 C，放電倍率為5 C，電壓范圍均為3.0～4.35 V。

1.3.4 低溫性能測試。電池在充滿電后應放置在EL-10KA低溫箱提供的低溫環境中，在設定溫度為-40 ℃低溫箱中擱置8 h，然后以1.0 C倍率放電至2.5 V。

1.3.5 存儲測試。在室溫下，采用1 C充放電，標定電池實際容量，然后滿電。常溫下擱置28 d，以1 C放電，記錄保持容量，然后1 C充放電循環3次，記錄恢復容量，同時記錄循環前后電壓、內阻變化。

2 結果與分析

2.1 正極片性能

分別對三種不同導電劑體系的正極片進行附著力、面電阻和極片反彈測試，結果如表2所示。

由表2可知，在加入CNTs后，極片的面電阻明顯降低。相對于單一導電劑SP（A組），在加入0.5%CNTs（B組）后，極片的面電阻明顯降低，降低率達54%，主要是因為導電炭黑SP為顆粒狀，與活性物質間為點對點接觸，導電性能相對差，CNTs為一維線狀結構，與SP復合后可有效構建導電網絡，增強極片的導電性，從而降低面電阻。隨CNTs含量的增加，極片的附著力增大，極片反彈減小，說明添加CNTs可增大極片的附著力，從而降低反彈，且CNTs的占比越大，極片的附著力越大、反彈越小。這是因為CNTs具有較大的長徑比，可網狀包覆電極材料，從而有效提升活性物質顆粒間及其與集流體的黏結性能。

2.2 軟包電池性能

2.2.1 基本性能。軟包電池在完成化成、定容后，統計容量、內阻和首次效率等基本性能結果如表3所示。

從表3可以看出，與單一導電劑SP相比，在添加CNTs后，電池的容量、首次效率均有所提升，C組電池綜合性能最優，容量增加1.6%（15.53 Ah），內阻減小6.9%（0.785 mΩ），首次效率（83.6%）也略有提升。通過對C組和B組進行對比可以發現，C組相較于B組，容量和首次效率略有增加，但變化并不明顯。這說明CNTs具有良好的電子導電性能，可降低電池內阻，與正極片面電阻測試結果規律一致，同時CNTs可提高電池容量和首次效率的發揮。

2.2.2 倍率性能。分別對三個不同組別的電池進行倍率性能測試（見圖1）。放電倍率≤10 C時，不同方案電池倍率的放電性能相當。當放電倍率增加為15 C時，A、B、C三種不同方案的放電容量保持率分別為88.1%、96.1%和99.7%，C組放電容量保持率和放電平臺電壓均最優，且隨著CNTs含量的增加而提高。這是由于CNTs自身具有良好的導電性，與SP復合后，可利用各自優勢，在活性物質顆粒間及活性材料顆粒與集流體間形成有效的電子傳輸路徑，在降低電極內部接觸阻抗的同時，改善電極電導率，從而提高電池大倍率充放電性能。

2.2.3 低溫放電性能。分別對三種不組別的電池在-40 ℃的低溫環境中進行放電性能測試，測試結果見表4。由表4可知，在低溫環境中，電池放電過程中出現拐點電壓，且拐點電壓較低。與常溫放電相比，低溫放電平臺電壓的下降速度較快，A、B、C三種不同方案的低溫拐點電壓分別為2.838 V、2.865 V、2.904 V。隨CNTs含量的增加，電池低溫放電容量保持率降低，而拐點電壓升高。在低溫環境中，電解液的黏度會變大，使電導率降低、SEI膜阻抗增加、鋰離子在活性材料中的遷移速率下降，從而導致電池低溫性能變差。低溫放電初始拐點電壓與電池歐姆內阻有關，歐姆內阻越大，電池瞬間放電電壓越低，放電后電池開始產熱，使電池放電電壓提升，歐姆內阻越大，電池產熱也越多。試驗結果表明，隨著CNTs含量的增加，電池內阻降低、初期拐點電壓升高，但低溫放電過程產熱溫升降低，導致電池容量保持率降低。

2.2.4 高溫存儲性能。分別對不同導電劑電池高溫的存儲性能進行測試，測試結果見表5。由表5可知，電池在充滿電后，在55 ℃環境中擱置7 d后，三種方案的電池電壓均有所下降，且隨著CNTs含量的增加，擱置前后的電池電壓、保持容量和恢復容量下降幅度均增大。這是因為目前商業化CNTs主要采用流化床化學氣相沉積法制得[7]，該工藝在生產過程中需用Fe、Co、Ni 等過渡金屬元素作為催化劑，以促進CNTs的生長，導致CNTs中含有較高的金屬雜質，金屬雜質在電池中發生反應，遷移到負極，并發生金屬沉積，不斷消耗電量，導致電池內阻增加、電壓下降和容量衰減。

2.2.5 循環性能。分別對三種不組別的電池進行常溫1 C、5 C充放電循環性能測試，測試結果如圖2所示。

從圖2可知，電池經常溫循環600次后，與單一SP相比，添加CNTs電池容量保持率均相對較高，其中C組最高容量為97.9%，A、B兩組在循環600次后容量保持分別為97.3%、95.6%。這是因為CNTs的加入提高了活性物質顆粒之間、活性物質顆粒與集流體之間的黏結性能，避免充放電過程因膨脹帶來的接觸不良問題。另外，CNTs為中空結構，可存儲更多的電解液，增加鋰離子傳輸通道，同時CNTs本身具有高電導特性，提高了電極電導率，減小了電池極化，從而改善電池循環性能。

3 結論

①CNTs具有較大的長徑比，可網狀包覆電極材料，能夠有效提升活性物質顆粒之間、活性物質顆粒與集流體之間的黏結性能。隨CNTs添加量的增加，極片的附著力增大、面電阻和反彈減小。

②在添加CNTs后，電池容量、首次效率均有所提升，導電劑添加量為1.5%SP+1.0% CNTs的電池，其綜合性能最優。

③CNTs具有良好的導電性，與SP復合后，利用各自優勢，能夠有效形成導電網絡，可提升電池大倍率充放電性能、低溫性能和循環壽命等。

④與單一SP相比，隨CNTs含量的增加，電池高溫存儲性能下降，這是因為CNTs中含有金屬雜質，降低了電池存儲性能，電池設計過程中應根據實際用途需要，綜合考慮性能和成本，確定CNTs的添加量。

參考文獻：

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