楊 東（復(fù)旦大學(xué)高分子系）

石油危機(jī)和環(huán)境污染是全球面臨的兩個(gè)巨大挑戰(zhàn)，且形式日益嚴(yán)峻。燃油汽車是造成這兩個(gè)問題的一個(gè)主要原因。純電動(dòng)汽車（EVs）和混合電動(dòng)汽車（HEVs）具有不使用或使用少量燃油，幾乎沒有污染排放的突出優(yōu)點(diǎn)，已成為取代傳統(tǒng)燃油汽車的主要發(fā)展方向，受到了廣泛的關(guān)注，世界各國都投入巨大的人力、物力、財(cái)力來研發(fā)電動(dòng)汽車，而動(dòng)力電池的研發(fā)是其中的一個(gè)關(guān)鍵所在。鋰離子電池由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為汽車動(dòng)力電池的發(fā)展的一個(gè)主要方向。

然而，鋰離子電池如在電動(dòng)汽車中取得實(shí)際應(yīng)用，仍有幾個(gè)亟需解決的關(guān)鍵問題，例如：安全性問題、倍率充放性能、低溫性能等。安全性能是其中尤為重要的一個(gè)關(guān)鍵問題，而解決安全性的關(guān)鍵在于正極材料。目前鋰離子電池中常用的正極材料有鋰鈷氧、鋰鎳氧、鋰鎳鈷錳氧等，安全性均較差，存在較大的安全隱患。而磷酸鐵鋰、鋰錳氧、磷酸釩鋰則是較安全的正極材料，其中磷酸鐵鋰因?yàn)榫哂休^高的理論比容量（170 mAh/g），同時(shí)還具有無污染、價(jià)格便宜、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是新一代鋰離子電池發(fā)展的一個(gè)主要方向。

但是，磷酸鐵鋰正極材料的電導(dǎo)率和Li+擴(kuò)散率較低，導(dǎo)致電池的高倍率充放電性能也較差，這是制約其發(fā)展的一個(gè)主要問題。例如，早期磷酸鐵鋰正極材料的實(shí)際放電容量僅為理論值的60%，就是由其低電導(dǎo)率引起的。為了改善磷酸鐵鋰的電化學(xué)性能，科研人員嘗試對(duì)磷酸鐵鋰進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?，以提高其電子電?dǎo)率和離子電導(dǎo)率。主要的改性方法有采用碳包覆、添加導(dǎo)電物質(zhì)、摻雜改性以及制備納米級(jí)顆粒的磷酸鐵鋰正極材料等。

改性后的磷酸鐵鋰材料的導(dǎo)電性往往仍達(dá)不到使用要求，在電池制作過程中仍需要添加大量小顆粒的導(dǎo)電物質(zhì)。添加導(dǎo)電物質(zhì)的目的是在活性材料中形成有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，只有加入一定量的導(dǎo)電劑，小的導(dǎo)電劑顆粒才能填充滿活性材料顆粒間的空隙，使得導(dǎo)電劑與活性材料顆粒之間以及導(dǎo)電劑顆粒之間能有效接觸，從而得到良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，改善其導(dǎo)電性能。但是，過多的添加導(dǎo)電碳黑等添加劑，勢必減少正極片中活性材料的含量，從而降低電池的容量和能量密度。

圖1.通過高溫?zé)崽幚矸椒ù蜷_碳納米管的封端，有效去除金屬催化劑

圖2.通過化學(xué)預(yù)處理加砂磨分散的方法有效打開碳納米管的聚集團(tuán)

碳納米管自其發(fā)現(xiàn)以來，一直是研究的熱點(diǎn)，并被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的納米材料之一。碳納米管是由單層或多層石墨卷曲而成的一維管狀納米材料，具有許多出眾的物理化學(xué)性質(zhì)，其獨(dú)特的電子導(dǎo)電性，使其在鋰離子動(dòng)力電池導(dǎo)電劑方面具有誘人的應(yīng)用前景。碳納米管作為一種新型的纖維狀導(dǎo)電劑，可以形成完整的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)導(dǎo)電劑如導(dǎo)電碳黑等相比，碳納米管具有更高的電子導(dǎo)電率，所需用量也相對(duì)較低，有利于提升電池容量、提高電池循環(huán)壽命、尤其有利于提高電池的大倍率充放電性能。在對(duì)鋰離子動(dòng)力電池容量和功率需求越來越高的今天，碳納米管已成為導(dǎo)電劑發(fā)展的主要方向之一。

然而，碳納米管作為鋰離子動(dòng)力電池導(dǎo)電劑有兩個(gè)急需解決的關(guān)鍵問題：碳納米管合成過程中殘留的金屬催化劑對(duì)電池性能可能造成的不利隱患，鋰離子電池的電極電位較高，金屬雜質(zhì)往往會(huì)被氧化，在電場作用下遷移到負(fù)極表面析出，造成電池內(nèi)部微短路，電池自放電變大，嚴(yán)重的可能引發(fā)安全事故；碳納米管相互之間存在較強(qiáng)的范德華相互作用，很難均勻分散在電極活性材料中。因此，碳納米管如要在鋰離子動(dòng)力電池導(dǎo)電劑方面取得實(shí)際應(yīng)用仍有許多工作有待于完善。

我們課題組在此方面進(jìn)行了相關(guān)研究，通過高溫?zé)崽幚淼姆椒?，將碳納米管的封端的殘留金屬催化劑除去，有效的降低了金屬催化劑含量；通過化學(xué)預(yù)處理加砂磨分散的方法，有效打開了碳納米管的聚集團(tuán)，得到了穩(wěn)定分散的碳納米管漿料，與磷酸鐵鋰材料具有良好的相容性。

采用碳納米管導(dǎo)電劑在用量為傳統(tǒng)導(dǎo)電劑Super-P 40%的情況下，能夠有效提升磷酸鐵鋰電池正極材料壓實(shí)密度15%，降低正極片表面電阻30%，提升電池體積能量密度15%。