之前,我們簡單地介紹了干法電極(干法電極概述)和其工藝(干法電極-工藝).其工藝分為干粉混合及PTFE預纖維化,壓延成膜和層壓制備電極三步.其中PTFE的預纖維化和纖維化是壓延成膜的關鍵.但是即使使用不能纖維化的PVDF,只要導電劑能夠形成3D網絡,也能制備壓延成膜(干法電極-粘結劑).說明導電劑在干法電極中也占據重要作用.這里介紹干法電極中導電劑的影響.
對于無需PTFE,而可以單獨形成3D網絡的CNT(),其用量顯著影響電池的性能,如圖1所示.這很容易理解,導電劑作為電子導電通路,0D導電劑CB跟周圍形成點接觸而1D導電劑CNT能跟周圍形成線接觸,能夠提高電極的導電性(如圖1a-b所示),從而提高電池的倍率性能(圖1c),降低其過電勢(圖1d).需要注意的是,這里雖然倍率性能跟極片導電能力呈現正相關,但從很多實驗結果看,有些情況下降低阻抗并不都能提高倍率性能.
圖1. CNT用量對干法極片性能的影響.
除了CB(0D),CNT(1D)導電劑之外,還有2D導電劑石墨烯,在使用PTFE作為粘結劑三者孰優孰劣?圖2顯示使用不同的導電劑時,極片的形貌,孔徑分布,電解液浸潤時間,面電阻等信息.SEM圖顯示,0D導電劑堆在一起,難以分辨其形貌;1D導電劑纏在一起,能夠看出線狀;2D導電劑疊在一起,可以看到片狀.三者制備的極片孔徑分布區別不到,主要是因為空間分別還是由占據多數的活性物顆粒決定.含有2D石墨烯導電劑的極片面電阻最小,含有1D CNT的極片電解液浸潤最快.另外,導電劑還影響極片的傳荷阻抗,這是個很有意思的現象.畢竟傳荷阻抗是由活性材料得失電子的難易程度決定的,導電劑能影響其傳荷阻抗,很可能是導電劑影響了電極的活性面積.
圖2. 0D,1D和2D導電劑在干法電極中的作用.
從上面的結果看,1D導電劑能降低極片的傳荷阻抗,2D導電劑能降低傳荷阻抗和電子電阻.是不是1D和2D導電劑效果更好呢?也不一定.我們看看其他不一樣的結果.
表1.不同導電劑的物理信息
表1中的導電劑的基本性質如圖3所示.從中可以看出0D的Ketjen black EC-600JD(KB(600JD))的孔徑最發達,其次是Ketjen black EC-300J(KB(300J)),在之后是石墨烯,CNT.電導率最高的是CNT,其次是石墨烯,再然后是KB(600JD)和KB(300J).
圖3. 不同導電劑的形貌和性質.
對這些極片進行結構和電化學性質測試,結果如圖4所示.其中CNT片,CNT+PTFE片和使用CNT導電劑的極片有最好的電子導電能力;使用KB(600JD)導電劑的極片有最大的孔隙率,最小的迂曲度和最大的離子電導.圖4b與圖2b不同,它顯示出不同導電劑的極片,孔隙率還是有較大的區別.從阻抗和倍率性能來看,使用KB(600JD)導電劑的極片都有最優的表現.這個結果說明,0D導電劑也不一定比1D或者2D導電劑差.
圖4.使用不同導電劑的極片的性質.
電池作為一個多材料,多物理場相互作用的體系,想要評估某一因素對電池性能的影響,是非常困難的.而各個實驗室由于環境不同,操作手法不同,測試習慣不同,做出來的結果也是五花八門,想從中統計出規律也很困難.再有就是這些研究不容易講故事發文章,不符合現如今的科研風向,所以做類似工作的團隊并不多.
雪上加霜的是,到目前為止,對極片結構的準確描述都還做不到,更別提完成“配方→工藝→結構→性能”這一核心鏈條,構建從始端設計到終端性能的確定性映射了.路漫漫其修遠兮……
