Dr.Meng-Lun,Lee：多種碳添加劑在高電壓鋰離子電池中的應(yīng)用
5月24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。中國(guó)臺(tái)灣LiS Energy Co.Dr.Meng-Lun,Lee在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
感謝您的介紹，今天跟大家分享平時(shí)我們?cè)陔姵乩锩鎽?yīng)用多種不同碳添加劑，碳材真正在電池中的應(yīng)用。傳統(tǒng)上是用添加劑作為導(dǎo)電部分，現(xiàn)在添加劑的種類越來(lái)越多。
今天要跟大家分享我實(shí)際上做的一些成果，針對(duì)單一的碳材與多重碳材應(yīng)用上在不同活物電池里面的差異以及好處。所有的研究都是在軟包裝的電池里面做的，這個(gè)軟包裝電池都是在1安時(shí)以上的。這里面會(huì)包含在NMC、LFP、LCO、石墨、C級(jí)材料里面的應(yīng)用，針對(duì)多重性的納米碳材的應(yīng)用。
上面這三張圖大家可以看到，是傳統(tǒng)型電極的組成，里面只有NMC，PVDF、Super P Li，活物跟活物之間有非常大的空隙，會(huì)影響到導(dǎo)電的網(wǎng)絡(luò)。下面這三張圖，有納米探管，我們知道Super P Li和納米探管都是幫助電子導(dǎo)電的部分。這個(gè)照片可以看到，納米探管批附在表面，保證了電極的導(dǎo)電度，后面會(huì)有很多的應(yīng)用來(lái)證明這個(gè)做法。
這是一個(gè)NMC，剛剛在照片里面看到的電極所做成的電池，大約是5安時(shí)到6安時(shí)的電池，是一個(gè)軟包電池。我們做了兩個(gè)配比的比較，一個(gè)是只含有單純的Super P Li，另一個(gè)是含有多孔碳或納米碳的配方。在電極的loding上有不同，由于我們加了孔，可以幫助電池的壓擠密度，我們可以在電極上增加比較多的秘密度，增加了秘密度，又可以把他壓到比較高的壓實(shí)密度，可以使得體積不會(huì)有太大的變化。所以可能提高它的體積能量密度。因?yàn)槎嘀匦蕴嫉募尤耄矔?huì)讓它的導(dǎo)電度上增加，于是一樣也是有增加的好處。大家可以看這個(gè)充放電圖（PPT），這里面有0.2c、1c、2c和3c的放電圖，3c對(duì)于這顆電池來(lái)講是達(dá)到15安倍的放電。實(shí)線的部分是只含有Super P Li的電極的特性，虛線部分就是多重性的納米添加的特性。可以發(fā)現(xiàn)到了3c的時(shí)候，電壓平臺(tái)有一個(gè)非常明顯的上升，所以說(shuō)電壓也能夠上升，容量也能夠上升，體積能夠維持不變的狀態(tài)下，就可以提升它的能量密度。
下一個(gè)部分是屬于在磷酸鐵鋰用碳添加劑，它有很大的表面，我們要加入很多的PVDF去黏它，如果不用LFP，這樣二言PVDF降下來(lái)，活物可以升高，在同樣的狀態(tài)下，也可以使得它容量增加，因?yàn)樗幕钗镌黾恿?。在右邊（PPT）0.2c的狀態(tài)下可以從1100多毫安時(shí)提升到1200毫安是，能量密度也是增加。下面這個(gè)圖左邊是0.2c的放電，右邊是1c的放電，0.2c的放電，平臺(tái)上沒(méi)有太大的差別，因?yàn)榛钗锏脑黾訉?dǎo)致能量的增加。能量在電壓平臺(tái)上有比較的大差異，這樣一來(lái)可以更多的提升重量能量密度以及體積能量密度。
接下來(lái)是直接把LFP的電池進(jìn)行5c的放電，三者的差異就更明顯了，我們可以看到只含有Super P Li加CNT，我們可以看到這個(gè)復(fù)合型的碳的添加電極可以在5c的狀態(tài)下德國(guó)最好的電性能，是一個(gè)最好的狀態(tài)，所以電壓平臺(tái)是屬于比較高的，就可以維持大比較高的能量密度。
接下來(lái)是鋰鈷的部分，一樣是以Super P Li跟納米碳管的組合比較，差異是不大的。因?yàn)镾uper P Li的用量是需要比較大的，PVDF也比較多，CND加PC的狀態(tài)下活物可以提升到98%，整體的導(dǎo)電碳量就下降了，PVDF也是下降了?？赡艽蠹視?huì)擔(dān)心如果說(shuō)導(dǎo)電加這么多的活物是不是會(huì)使導(dǎo)電變差，看0.2c的圖（PPT），比較高的活物并沒(méi)有使它有太多的下降。同時(shí)，在右邊1c的圖上可以發(fā)現(xiàn)，在比較大的電流到了1c的狀態(tài)下，CNT加（英文）的配方下得到比較高的導(dǎo)電度，同時(shí)它也是比較小的。在這個(gè)狀態(tài)下，首先正確了活物的百分比，接著增加了壓實(shí)密度，最后增加了體積能量的密度，這是一顆6安時(shí)左右的電池，重量能量密度到250，體積能量密度到666。
這是在石墨負(fù)極的狀態(tài)，這邊我們是使用一個(gè)比較低階的石墨，沒(méi)有改質(zhì)的。要分析Super P Li的添加和碳添加劑的影響（PPT），整體的導(dǎo)電量是一樣的。但是大家可以看到，這個(gè)圖上我們是使用5c去循環(huán)，如果是0.2c的循環(huán)不可能有這么大的狀態(tài)。所以說(shuō)，5c的循環(huán)下，我們可以看到只有Super P Li添加的衰減是非常嚴(yán)重的。為什么會(huì)產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題？因?yàn)镾uper P Li是屬于小的納米顆粒，成為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制是把這些顆粒都一個(gè)個(gè)接起來(lái)成為一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)。在重復(fù)充放電的過(guò)程中，尤其是大電流，可能會(huì)使顆粒彼此分開，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)就分開了，沒(méi)有這個(gè)功能。如果用納米碳，海綿型的碳球有彈性，不會(huì)分開，就不會(huì)在大電流充放電有衰減的部分。
接下來(lái)一個(gè)比較新的研究部分，C級(jí)的貪財(cái)，兩種不同配比的電池，1安時(shí)和3安時(shí)的軟包電池，每克可以發(fā)揮多少容量的數(shù)字來(lái)比較，可以發(fā)現(xiàn)同樣配比的正極，Super P Li跟PVDF是正極，我們就不做什么改良，負(fù)極的部分，這個(gè)C級(jí)的負(fù)極活物不是三千的那種，也不是1500的那種SIO，C只占了5%，石墨占95%，理論電容量應(yīng)該是在430-450的商用化的C級(jí)材料來(lái)的活物。可以看到，在左邊負(fù)極里面只有Super P Li的添加，右邊這里面有了CNT，也有Super P Li，也有復(fù)合的碳添加。在這樣的狀態(tài)下，大家可以看一下放電曲線，左邊的放電曲線是衰減的非?？欤瑤缀鯖](méi)有看到平臺(tái)的狀況，這就顯示導(dǎo)電度比較不好的狀況。右邊的圖可以看到，隨著也是很斜，但至少有了微微的像平臺(tái)的東西，它的導(dǎo)電度有提升了。
左邊這個(gè)表可以看到（PPT），左邊的配方正極發(fā)揮只剩下145，對(duì)商業(yè)來(lái)說(shuō)太低了。右邊這個(gè)是比較正常的水準(zhǔn)，是160毫安/克。重重性的碳在C級(jí)負(fù)極里面的應(yīng)用，幫助到了整個(gè)電池的發(fā)揮，還有它的導(dǎo)電度。
在C級(jí)材料上，應(yīng)用了含有porous carbon，在軟報(bào)電池中，在3.3安時(shí)的軟包電池中，實(shí)體是在照片上的這些電池所跑出來(lái)的（PPT），3安時(shí)的電池都是規(guī)格化的電池，不是用手剪出來(lái)的形狀，都是產(chǎn)品的樣子。黑線有2%的的添加，在1c的狀態(tài)下，600圈的時(shí)候有porous carbon是82左右，如果沒(méi)有這樣的改良是在62左右。右邊那邊是0.5c的狀態(tài)，0.5c的膨脹就沒(méi)有那么嚴(yán)重，有porous carbon就是8%，有添加porous carbon，是可以得到比較好的循環(huán)壽命。
下面就是測(cè)量參數(shù)，因?yàn)檫@個(gè)電池的長(zhǎng)寬是不會(huì)變的，所以就是借由測(cè)量它的厚度的改變來(lái)計(jì)算出它的體積改變，因?yàn)橛羞@樣的改良，在C級(jí)的負(fù)極，尤其是應(yīng)用在軟包的電池里面是一個(gè)很大的進(jìn)步跟發(fā)現(xiàn)。
在NMC里面有了這種多重型的porous carbon跟CNT的應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)在LFP里面能量密度的增加是由于活物的增加，在鋰鈷氧里面，起到體積能量密度增加的作用，使用復(fù)合型的碳，因?yàn)榛钗锏脑黾右约皦簩?shí)密度的增加。只有Super P Li的實(shí)物電極使得網(wǎng)絡(luò)斷裂使得循環(huán)壽命下降。在porous carbon的添加下，C級(jí)的材料可以增加導(dǎo)電度，循環(huán)壽命可以抑制C級(jí)材料的膨脹，讓它在軟報(bào)電池中有應(yīng)用的可能性更大。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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