Hanwei Lei：鋰離子電池用高性能碳導(dǎo)電添加劑進(jìn)展
5月23日，CIBF2018 第十三屆中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開幕。美國(guó)卡博特公司Hanwei Lei博士在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
非常高興有機(jī)會(huì)和大家作介紹。剛才毛博士講了導(dǎo)電添加劑的進(jìn)展，我回到傳統(tǒng)的導(dǎo)電碳黑，傳統(tǒng)的導(dǎo)電碳黑也有很多很有價(jià)值的地方，全球最大的碳材料公司在這里面進(jìn)行了深度的研發(fā)，我做一個(gè)簡(jiǎn)要的概述，這里面有些內(nèi)容在過去匯報(bào)中有些介紹，我趁這個(gè)機(jī)會(huì)整合在一起，不一定每個(gè)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(shù)和幾款主要材料特點(diǎn)，還有最新的研發(fā)進(jìn)展。
卡博特是全球性公司，我們目前在全球大概有40多個(gè)工廠，20多個(gè)國(guó)家都有我們的運(yùn)作。在中國(guó)，有5個(gè)工廠，有兩個(gè)氣象氧化硅的工廠，還有三個(gè)碳黑的工廠，天津有全球最大的碳黑工廠。在中國(guó)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(chǎn)品是以粉體顆粒產(chǎn)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(chǎn)業(yè)。我們的碳黑包覆做成不同顏色，這也是全球第一大產(chǎn)業(yè)。我今天主要講導(dǎo)電碳黑，氣象氧化物在電池里面應(yīng)用非常廣，一個(gè)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(yīng)用，有興趣的我們可以私下討論，大家也可以和我們做進(jìn)一步的交流。
我們的能源部門主要在美國(guó)和上海，目前我們研發(fā)的重點(diǎn)還是集中在鋰電池和鉛酸電池導(dǎo)電添加劑和燃料電池。我們?cè)谌蚰壳按蟾庞?個(gè)研發(fā)中心，亞太主要是以上海為主，另外就是日本也有我們研發(fā)中心，馬來西亞也有一個(gè)。另外歐洲有兩個(gè)，在北美有兩個(gè)。
關(guān)于談到碳黑，可能用得比較多，可能也沒有細(xì)想，碳黑的生產(chǎn)工藝遠(yuǎn)超過大家想象的，市場(chǎng)還是蠻復(fù)雜的，復(fù)雜在于它整個(gè)控制的流程，這里畫了簡(jiǎn)要的圖，大家可以了解一下，它的原料來自于碳?xì)溲醯@種原料，主要從石油化工產(chǎn)品來的，控制流速、反應(yīng)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(dá)到不同的形貌，看到整個(gè)碳黑出來事實(shí)上像葡萄串一樣的東西，這個(gè)東西出來以后鏈的長(zhǎng)短以及鏈的支架多少直接影響到它的分散性能以及導(dǎo)電性能。我們從傳統(tǒng)的導(dǎo)電碳黑，當(dāng)然也可以開發(fā)出很多其他的應(yīng)用方向，大家比較喜歡用的是拿干粉用，現(xiàn)在也開發(fā)漿料體系，分散也是比較挑戰(zhàn)的問題，尤其大家用石墨烯、碳納米管的時(shí)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(fā)工作。
我今天主要講的是以導(dǎo)電碳黑為主。市面上有很多產(chǎn)品賣，我們產(chǎn)品開發(fā)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(tǒng)想象和大家一樣，低價(jià)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(dá)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(gè)到一千多個(gè)，這是非常寬廣的。2、調(diào)整結(jié)構(gòu)，你可以看到結(jié)構(gòu)還是很復(fù)雜的，從低的結(jié)構(gòu)做到高的結(jié)構(gòu)，有很多手段達(dá)到。3、進(jìn)行純度控制，一個(gè)是來自于原料的來源，另外一個(gè)在反應(yīng)以后，生產(chǎn)的過程當(dāng)中怎么醇化也可以做到。4、控制結(jié)晶度，導(dǎo)電碳黑的導(dǎo)電性能來自兩方面，宏觀是結(jié)構(gòu)大小，包括支鏈的多少、長(zhǎng)短，還有顆粒的大小，還有微觀領(lǐng)域每個(gè)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(shí)上要實(shí)現(xiàn)起來在于怎么分散，另外我們可以對(duì)表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，這樣可以達(dá)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(dǎo)電碳黑設(shè)計(jì)得好、做得好是一個(gè)方面，實(shí)際應(yīng)用中能不能實(shí)現(xiàn)是另外一碼事，這里面要綜合考慮。總的來說，我們?cè)谶@五方面進(jìn)行比較好的調(diào)控，可以達(dá)到比較好的效果。
導(dǎo)電碳黑的選擇，事實(shí)上依賴于很多方面，和應(yīng)用相關(guān)、活性材料相關(guān)，和處理漿料的制備過程也有很多關(guān)系，很難想象活性材料大小完全不一樣，只有一種導(dǎo)電碳黑就是達(dá)到最好的效果，事實(shí)上根據(jù)你的設(shè)計(jì)是要得到高能量還是高動(dòng)力，要求是很不一樣的，所以必須在材料的選擇上考慮到長(zhǎng)程的導(dǎo)電和短程導(dǎo)電的匹配，達(dá)到比較好的效果。我們主要的產(chǎn)品線：主要是LITX來命名，新的開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)成熟，叫LITX200，用到高端產(chǎn)品里面去，像蘋果的手機(jī)和筆記本電腦。我們又開發(fā)LITX300，這款產(chǎn)品在EV領(lǐng)域用得非常成功，甚至動(dòng)力工具以及儲(chǔ)能方面也有應(yīng)用。下面會(huì)講一些具體的數(shù)據(jù)來和大家分享。
在我講到電芯數(shù)據(jù)的時(shí)候，有一點(diǎn)要強(qiáng)調(diào)，導(dǎo)電劑十月的好壞和分散的方式有很大的關(guān)系，事實(shí)上前面幾屆過程也講過這個(gè)圖，我有必要再講一下，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)大家拿到導(dǎo)電添加劑不管怎么樣，通過原始配方放進(jìn)去不做任何調(diào)整，這樣沒有達(dá)到很好的效果。如果你在正常配比情況下，我們的導(dǎo)電碳黑可以帶來最好的流變性能，如果大家制漿的時(shí)候要達(dá)到好的漿料控制，通過其他的材料進(jìn)行一定的優(yōu)化，在使用卡博特產(chǎn)品的時(shí)候，就必須進(jìn)行一定的調(diào)整，這個(gè)調(diào)整簡(jiǎn)單講起來可以把溶劑減少，溶劑減少，漿料的年度就會(huì)提升。溶劑減少帶來兩個(gè)直接的好處，節(jié)省成本，因?yàn)镹LP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(duì)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(chǎn)的電池是每天幾百萬支，涂布速度加快意味著生產(chǎn)速度提升。大家用我們的產(chǎn)品可以就這方面進(jìn)行更多的交流。
電芯，我們和市面上常規(guī)流行的導(dǎo)電碳黑進(jìn)行比較，主要是不同倍率情況下容量發(fā)揮的情況，大家可以看看，使用我們的導(dǎo)電碳黑，基本上可以比市面上常規(guī)的其他導(dǎo)電碳黑用得少，也達(dá)到更好的效果。原來200系列基礎(chǔ)上開發(fā)了更高的產(chǎn)品，叫LITX300，是200的提升，它的導(dǎo)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?guī)砀玫撵`活性，設(shè)計(jì)更高的比能量的電池。這里面給出具體的參數(shù)，比較常規(guī)導(dǎo)電碳黑和LITX200和300的電性能和DCIR的情況，300的改進(jìn)還是比較明顯的。
我們也開發(fā)了另外一個(gè)新的產(chǎn)品LITX HP，左邊的在導(dǎo)電碳黑1%的添加量和市面上拿到最好的導(dǎo)電碳黑進(jìn)行比較，是日本主流的汽車?yán)锩嬗玫膶?dǎo)電碳黑產(chǎn)品，我們進(jìn)行比較，從導(dǎo)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(yōu)勢(shì)，2%的時(shí)候，優(yōu)勢(shì)就不是那么明顯。事實(shí)上現(xiàn)在導(dǎo)電碳黑已經(jīng)取得很大的進(jìn)展，用不著放那么多，1%也可以達(dá)到很好的效果。
除了導(dǎo)電性能，事實(shí)上大家對(duì)快速充電性能也在提升，在這方面大家可能原來更多關(guān)心到主材，事實(shí)上導(dǎo)電碳黑也影響到它快速的充放，這就比較了LITX HP和導(dǎo)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(guān)注的是電池的耐久性能和循環(huán)性能，這里給出基本的進(jìn)展的報(bào)告，上面這個(gè)圖就顯示我們?cè)趯?dǎo)電碳黑的市場(chǎng)過程中，調(diào)控它的結(jié)晶度，也可以說是石墨化程度，可以帶來更穩(wěn)定的表面，達(dá)到更好的循環(huán)壽命，主要是因?yàn)樗娊庖旱母环磻?yīng)減少了。
下面的圖做的是沒有活性材料情況下，看看這個(gè)導(dǎo)電碳黑跟電解液的穩(wěn)定性情況，隨著結(jié)晶度的提高，跟電解液的富反應(yīng)越來越少，大家很關(guān)心高溫脹氣的情況，很多情況和導(dǎo)電添加劑的食用油關(guān)系。這方面我們可以盡量幫著大家減少這方面的負(fù)面影響。
我們也開發(fā)了新的產(chǎn)品，石墨烯的數(shù)據(jù)，石墨烯的性能和導(dǎo)電碳黑相比，少量石墨烯達(dá)到相匹配的結(jié)果，甚至更好。石墨烯有阻擋效應(yīng)，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(yōu)勢(shì)是體現(xiàn)在硅碳負(fù)極的材料當(dāng)中，有些很好的應(yīng)用和前景。
前面大部分是集中在正極體系，在負(fù)極體系要求對(duì)導(dǎo)電碳黑要求越來越高，早期做3C通信產(chǎn)品的時(shí)候，要求不是很高，因?yàn)槌浞烹姷谋堵室蟛皇悄敲锤?。在EV應(yīng)用領(lǐng)域要求越來越高，早期沒有關(guān)注到這個(gè)問題，后來發(fā)現(xiàn)你在負(fù)極那邊還是需要加一定的導(dǎo)電碳黑，除了增強(qiáng)導(dǎo)電性，更多的要增強(qiáng)它的吸液能力，維持它比較好的循環(huán)壽命。在這里面卡博特推出類似的產(chǎn)品，LITX 35，這款產(chǎn)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(chǎn)品，早期開發(fā)給正極體系，后來我們的廠商發(fā)現(xiàn)這個(gè)材料事實(shí)上水性體系特別好分散，分散的時(shí)候，大家跟最流行的導(dǎo)電碳黑比，一半的量就可以達(dá)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(chǎn)品，在硅碳領(lǐng)域有很好的前景和應(yīng)用。
除了不同形貌的產(chǎn)品，基于不同的應(yīng)用，包括負(fù)極體系，我們也開發(fā)新的復(fù)合方面的導(dǎo)電添加劑，除了導(dǎo)電碳黑，還開發(fā)新型的，包括了漿料型，這樣可以進(jìn)行復(fù)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(diǎn)線面的優(yōu)化，提供比較好的效果。不管怎么樣，你做出來分散是最關(guān)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(dǎo)電碳黑或者其他的物質(zhì)堆積在一起，這種情況下，你的導(dǎo)電效率是非常低的。中間的圖是分散得比較好，可以看到導(dǎo)電碳黑控制比較好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，覆蓋在活性材料表面，當(dāng)然要避免過分散，有時(shí)候長(zhǎng)久過渡分散也會(huì)造成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該關(guān)注一下。復(fù)配的添加劑也會(huì)帶來性能的優(yōu)勢(shì)，右邊的圖，不加添加劑性能比較差，3%的CNTs達(dá)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(jīng)驗(yàn)，不斷開發(fā)新的產(chǎn)品，現(xiàn)在開發(fā)了以LITX系列為主的產(chǎn)品，在3C的產(chǎn)品和EV的產(chǎn)品得到成功的應(yīng)用。我們還在不斷開發(fā)基于石墨烯和其他復(fù)合漿料新產(chǎn)品，我們?cè)敢夂痛蠹乙黄鸷献?，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(huì)加一些分散的水性材料作為正極嗎？
Hanwei Lei：取決實(shí)際情況，如果是正極我們可以進(jìn)行研發(fā)，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(xì)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(huán)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(gè)體系不斷開放，我們可以做各種各樣的開發(fā)和研究。主要取決于客戶需求，我們對(duì)分散劑有特別大的業(yè)務(wù)，著色劑是世界上最大的市場(chǎng)，我們有很好的生產(chǎn)性能以及生產(chǎn)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(jī)會(huì)會(huì)抓住這樣的機(jī)會(huì)進(jìn)行開發(fā)。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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