Hanwei Lei：鋰離子電池用高性能碳導電添加劑進展
5月23日，CIBF2018 第十三屆中國國際電池技術交流會展覽會在深圳會展中心開幕。美國卡博特公司Hanwei Lei博士在技術交流會上發表主題演講。以下是演講正文：
非常高興有機會和大家作介紹。剛才毛博士講了導電添加劑的進展，我回到傳統的導電碳黑，傳統的導電碳黑也有很多很有價值的地方，全球最大的碳材料公司在這里面進行了深度的研發，我做一個簡要的概述，這里面有些內容在過去匯報中有些介紹，我趁這個機會整合在一起，不一定每個PPT都要講到，但是大家可以作為看到它的前因后果。我今天主要講CABOT的碳材料技術和幾款主要材料特點，還有最新的研發進展。
卡博特是全球性公司，我們目前在全球大概有40多個工廠，20多個國家都有我們的運作。在中國，有5個工廠，有兩個氣象氧化硅的工廠，還有三個碳黑的工廠，天津有全球最大的碳黑工廠。在中國目前大概員工有700多人，年銷售額大概30多億。卡博特的主要產品是以粉體顆粒產品為主，活性炭第二大，碳黑第一大，氣象氧化物、氣象氧化硅、氣象氧化鋁都是全球第二大產業。我們的碳黑包覆做成不同顏色，這也是全球第一大產業。我今天主要講導電碳黑，氣象氧化物在電池里面應用非常廣，一個是正極材料的包覆、隔膜的包覆，氧化硅也用于膠體電池的應用，有興趣的我們可以私下討論，大家也可以和我們做進一步的交流。
我們的能源部門主要在美國和上海，目前我們研發的重點還是集中在鋰電池和鉛酸電池導電添加劑和燃料電池。我們在全球目前大概有7個研發中心，亞太主要是以上海為主，另外就是日本也有我們研發中心，馬來西亞也有一個。另外歐洲有兩個，在北美有兩個。
關于談到碳黑，可能用得比較多，可能也沒有細想，碳黑的生產工藝遠超過大家想象的，市場還是蠻復雜的，復雜在于它整個控制的流程，這里畫了簡要的圖，大家可以了解一下，它的原料來自于碳氫氧氮這種原料，主要從石油化工產品來的，控制流速、反應溫度以及跟氧氣的配比，燃燒在不同的條件下，控制一定的壓力、流速、溫度，最后達到不同的形貌，看到整個碳黑出來事實上像葡萄串一樣的東西，這個東西出來以后鏈的長短以及鏈的支架多少直接影響到它的分散性能以及導電性能。我們從傳統的導電碳黑，當然也可以開發出很多其他的應用方向，大家比較喜歡用的是拿干粉用，現在也開發漿料體系，分散也是比較挑戰的問題，尤其大家用石墨烯、碳納米管的時候，碳黑也有類似的問題，尤其碳黑在比表面比較高的情況下也是很難分散的。目前卡博特公司也在投入做漿料的開發工作。
我今天主要講的是以導電碳黑為主。市面上有很多產品賣，我們產品開發的線路和大家不太一樣，我們希望和大家做得不一樣。不像傳統想象和大家一樣，低價格，我們希望的是走不一樣的路線。主要有五方面做得不一樣：1、控制比表面，比表面通過控制一次顆粒的大小來達到，我們可以提供最完全的手段得到更寬廣的操作范圍，比表面可以從幾十個到一千多個，這是非常寬廣的。2、調整結構，你可以看到結構還是很復雜的，從低的結構做到高的結構，有很多手段達到。3、進行純度控制，一個是來自于原料的來源，另外一個在反應以后，生產的過程當中怎么醇化也可以做到。4、控制結晶度，導電碳黑的導電性能來自兩方面，宏觀是結構大小，包括支鏈的多少、長短，還有顆粒的大小，還有微觀領域每個碳納米球上表面微晶石墨化的程度，這是我們可以控制的。大家要談這兩。事實上要實現起來在于怎么分散，另外我們可以對表面進行適當的調控，這樣可以達到比較好的分散能力，油性體系、水性體系都可以分散出來。導電碳黑設計得好、做得好是一個方面，實際應用中能不能實現是另外一碼事，這里面要綜合考慮。總的來說，我們在這五方面進行比較好的調控，可以達到比較好的效果。
導電碳黑的選擇，事實上依賴于很多方面，和應用相關、活性材料相關，和處理漿料的制備過程也有很多關系，很難想象活性材料大小完全不一樣，只有一種導電碳黑就是達到最好的效果，事實上根據你的設計是要得到高能量還是高動力，要求是很不一樣的，所以必須在材料的選擇上考慮到長程的導電和短程導電的匹配，達到比較好的效果。我們主要的產品線：主要是LITX來命名，新的開發的產品已經成熟，叫LITX200，用到高端產品里面去，像蘋果的手機和筆記本電腦。我們又開發LITX300，這款產品在EV領域用得非常成功，甚至動力工具以及儲能方面也有應用。下面會講一些具體的數據來和大家分享。
在我講到電芯數據的時候，有一點要強調，導電劑十月的好壞和分散的方式有很大的關系，事實上前面幾屆過程也講過這個圖，我有必要再講一下，因為我發現大家拿到導電添加劑不管怎么樣，通過原始配方放進去不做任何調整，這樣沒有達到很好的效果。如果你在正常配比情況下，我們的導電碳黑可以帶來最好的流變性能，如果大家制漿的時候要達到好的漿料控制，通過其他的材料進行一定的優化，在使用卡博特產品的時候，就必須進行一定的調整，這個調整簡單講起來可以把溶劑減少，溶劑減少，漿料的年度就會提升。溶劑減少帶來兩個直接的好處，節省成本，因為NLP很昂貴，消耗以后要回收，回收以后再使用。制造電池過程中使用少的溶劑對廠家是很好的因素。如果溶劑減少，你的固化量提高，意味著涂布速度加快。生產的電池是每天幾百萬支，涂布速度加快意味著生產速度提升。大家用我們的產品可以就這方面進行更多的交流。
電芯，我們和市面上常規流行的導電碳黑進行比較，主要是不同倍率情況下容量發揮的情況，大家可以看看，使用我們的導電碳黑，基本上可以比市面上常規的其他導電碳黑用得少，也達到更好的效果。原來200系列基礎上開發了更高的產品，叫LITX300，是200的提升，它的導電性有稍許提升，更重要的好處是把電極做得更厚，這樣為大家帶來更好的靈活性，設計更高的比能量的電池。這里面給出具體的參數，比較常規導電碳黑和LITX200和300的電性能和DCIR的情況，300的改進還是比較明顯的。
我們也開發了另外一個新的產品LITX HP，左邊的在導電碳黑1%的添加量和市面上拿到最好的導電碳黑進行比較，是日本主流的汽車里面用的導電碳黑產品，我們進行比較，從導電性能以及倍率放電性能以及DCIR性能來看，LITX HP在1%的情況下有很明顯的優勢，2%的時候，優勢就不是那么明顯。事實上現在導電碳黑已經取得很大的進展，用不著放那么多，1%也可以達到很好的效果。
除了導電性能，事實上大家對快速充電性能也在提升，在這方面大家可能原來更多關心到主材，事實上導電碳黑也影響到它快速的充放，這就比較了LITX HP和導電性能的比較，這是3C的情況下快充，0.5C的情況下放電放出來的，LITX HP放電容量最高。
大家可能更關注的是電池的耐久性能和循環性能，這里給出基本的進展的報告，上面這個圖就顯示我們在導電碳黑的市場過程中，調控它的結晶度，也可以說是石墨化程度，可以帶來更穩定的表面，達到更好的循環壽命，主要是因為它跟電解液的富反應減少了。
下面的圖做的是沒有活性材料情況下，看看這個導電碳黑跟電解液的穩定性情況，隨著結晶度的提高，跟電解液的富反應越來越少，大家很關心高溫脹氣的情況，很多情況和導電添加劑的食用油關系。這方面我們可以盡量幫著大家減少這方面的負面影響。
我們也開發了新的產品，石墨烯的數據，石墨烯的性能和導電碳黑相比，少量石墨烯達到相匹配的結果，甚至更好。石墨烯有阻擋效應，用多反而效果不好。用那么少，右邊的圖顯示電極Density提高。主要的優勢是體現在硅碳負極的材料當中，有些很好的應用和前景。
前面大部分是集中在正極體系，在負極體系要求對導電碳黑要求越來越高，早期做3C通信產品的時候，要求不是很高，因為充放電的倍率要求不是那么高。在EV應用領域要求越來越高，早期沒有關注到這個問題，后來發現你在負極那邊還是需要加一定的導電碳黑，除了增強導電性，更多的要增強它的吸液能力，維持它比較好的循環壽命。在這里面卡博特推出類似的產品，LITX 35，這款產品在水中比較好分散，可以直接用來提高石墨電極的性能。LITX 200是很有趣的產品，早期開發給正極體系，后來我們的廠商發現這個材料事實上水性體系特別好分散，分散的時候，大家跟最流行的導電碳黑比，一半的量就可以達到類似的效果。大家有興趣的話可以試一試。LITX G300是基于石墨烯的產品，在硅碳領域有很好的前景和應用。
除了不同形貌的產品，基于不同的應用，包括負極體系，我們也開發新的復合方面的導電添加劑，除了導電碳黑，還開發新型的，包括了漿料型，這樣可以進行復合，包括不同的形貌，碳納米管、石墨烯、石墨，包括各種各樣的碳材料，這樣做成點線面的優化，提供比較好的效果。不管怎么樣，你做出來分散是最關鍵的問題，所以有好材料，分散不好，照樣得不到好的效果。左邊的圖顯示了三種情況，沒有分散開來，大量的導電碳黑或者其他的物質堆積在一起，這種情況下，你的導電效率是非常低的。中間的圖是分散得比較好，可以看到導電碳黑控制比較好的導電網絡，覆蓋在活性材料表面，當然要避免過分散，有時候長久過渡分散也會造成導電網絡的破壞，右邊就給出了圖，它在電阻的變化以及正常分散和過分散的情況，大家應該關注一下。復配的添加劑也會帶來性能的優勢，右邊的圖，不加添加劑性能比較差，3%的CNTs達到比較好的效果。
卡博特作為全球最大的談材料公司，基于一百多年積累的經驗，不斷開發新的產品，現在開發了以LITX系列為主的產品，在3C的產品和EV的產品得到成功的應用。我們還在不斷開發基于石墨烯和其他復合漿料新產品，我們愿意和大家一起合作，了解大家的需求，給大家提供更多的選擇。謝謝大家！
主持人：非常感謝演講嘉賓。你會加一些分散的水性材料作為正極嗎？
Hanwei Lei：取決實際情況，如果是正極我們可以進行研發，在今天來說，我們只有LFP，我們還有水性材料，但是大部分正極材料是像NCM、三元材料和ICO，還有LPO的精細材料，這就取決于我們的需要。
主持人：你能不能提供PVF的分散情況？作為制造商他們大部分是做水性的，是不是有環境方面的要求、政策的要求？
Hanwei Lei：我們正在尋求水性添加劑，這個體系不斷開放，我們可以做各種各樣的開發和研究。主要取決于客戶需求，我們對分散劑有特別大的業務，著色劑是世界上最大的市場，我們有很好的生產性能以及生產的能力，作為水性的正極分散材料，也是非常有意思的。如果有興趣，我們有可能有這樣的機會會抓住這樣的機會進行開發。
（根據速記整理，未經嘉賓審閱）
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