面对全球资源和能源危机，新能源已成为研究重点之一，而磷酸铁锂（LFP）电池正在催生新一代大功率锂离子电池。碳基材料作为重要的基础材料，以其优异的物理化学性能被广泛应用于各个领域，极大地支持了双碳政策的研究。然而，传统导电剂在高性能锂离子电池的某些应用中逐渐显示出局限性。开发和应用新型高导电性碳基导电剂已成为锂离子电池负极导电剂研究的主流趋势。目前，传统导电剂已不能满足高性能锂离子电池的发展需求。新型高导电性碳基导电剂的研究和应用已成为锂离子电池正极导电剂研究的主流和趋势。
本文，
昆明理工大学
瞿广飞
教授
等研究人员在《
ChemistrySelect》期刊发表名为“
Contributing to the Sustainable Development of New Energy Materials: Current Research Status and Future Fate of Conductive Agents for Lithium Iron Phosphate Batteries
”的综述，研究提出
以炭黑（CB）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯作为锂离子电池碳基导电剂的典型材料为例，分别将其组合为锂离子电池阴极导电剂和碳掺杂复合材料，并对其合成方法和作用机理进行了探讨。讨论了锂离子电池和新型碳基正极导电剂的未来研究重点，为进一步开发正极导电剂提供了参考。
2.1 在正极中应用三种导电剂
高度分散的多孔纳米碳基复合材料（NP@NPCM）与正极LFP相结合（如图1a所示）。这种复合材料形成了导电的三维纳米网络结构，Li and e+− electrons可以迁移到复合材料的活性粒子表面，不仅表现出很高的功率密度、能量密度和循环性能，而且（如图1b所示）。当功率密度提高50倍时，充放电容量仍能保持在 60% 左右。锂离子电池电极制造过程中的工艺步骤，如添加导电添加剂，会改变电极结构，从而改变电化学性能；在某些工艺步骤中，石墨的添加会减小电极的主孔尺寸，而黑炭则会增大孔面积，从而改变电极结构，进而改变电化学性能。一组研究人员在制造不同掺杂水平的石墨/CB复合阳极的袋式电池时发现，随着CB含量的增加，电荷容量也随之增加，这是因为CB 的加入显著抑制了锂的电镀，从而提高了袋式电池的循环稳定性。与此相反，过量的CB（4%-8%）会在 SEI 形成阶段消耗锂，导致 SEI 阻抗增加，降低高充电速率下的循环性能，而电池的最佳CB添加量为4%。这也凸显了优化锂离子电池负极的益处和重要性。
图1、
Electrochemical properties of LFP-NP@NPCM nanocomposites, a) Schematic diagram of LFP-NP@NPCM material, b) Rate performance at different power densities,
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Copyright 2009, Advanced Materials. c) Transmission electron microscopy image of MP-1000 (MP-1000: PEG Mw = 1000), d) Multiplicative performance of the electrode with different conductive additives LFP (AB: acetylene black),
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e) TEM images of LFP /graphene, Copyright 2014, Journal of Power Sources. f) TEM images of pristine LFP /graphene, g) Rate performance of LFP /graphene and pristine- LFP /graphene.
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Copyright 2014, Carbon letters.
2.2 3
种新型锂离子导电剂
以LFP锂离子电池为例，较小的LFP颗粒会出现混溶间隙，导致 LFP 电池性能下降。相反，可以通过掺入无机导电活性材料、金属和碳添加剂来提高锂离子电池的性能。在通过添加导电剂提高锂离子电池电化学性能的方法中，金属氧化物可以提高锂离子电池的性能。不过，这些物质性质稳定，不导电；此时，高导电性碳材料脱颖而出。碳涂层、新型碳导电剂和纳米碳材料这三种主要方法可显著提高锂离子电池的电化学性能以及材料的再生率和可回收性。Zhang 等人采用水热法从葡萄糖有机碳源和三苯基膦中生成掺磷的碳涂层，发现其在高电流倍率下的20C循环放电容量高达 124.0mA-h-g-1，循环 50次后的保持率为91.4%。选择合适的碳基材料或复合碳基材料作为导电添加剂，并将导电碳均匀地分散在正极中，可以在提高导电性的同时减少锂离子的扩散路径，从而提高其电化学性能。
提高锂离子电池正极材料的电化学性能（如导电性、充放电比容量和安全性）对锂离子电池的发展至关重要。锂离子电池正极材料以其安全性、可靠性和可持续性而著称。开发由碳基导电剂和电极材料涂层组成的复合材料可显著增强锂离子电池材料的电气性能，并提高阴极材料的氧化还原电位。它们在锂离子电池应用中的开发和研究具有重要意义。它为开发下一代便捷的新能源电池提供了思路。新型复合导电剂的大规模生产将是下一步研究的重点。
碳基材料在锂离子电池正极中的电-固电解质固-固界面连接不稳定，因此在锂离子电池正极中应用较少。因此，迫切需要一些表征或模拟工具来更精确地分析复杂的新型电极材料的电化学行为，以揭示复合材料之间的相互作用机理。在通过设计电极结构提高电池性能的过程中，需要加载高质量的活性材料并调整颗粒形态，确保电极的安全性能，开发耐高温稳定的电池组件。此外，锰酸锂作为较有发展前景的锂离子正极材料之一，在高电位下的理论比能量高于LFP，复合材料的应用可以降低锰酸锂电池芯的成本，因此可以开发设计多功能活性材料，如多功能聚合物泡沫或用锰酸锂电池代替磷酸铁电池，研究开发具有低成本、高安全性、倍率性能好等优点的锰酸锂正极材料。
文献：
https://doi.org/10.1002/slct.202402896
