鋰離子電池被廣泛的應(yīng)用在移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)工具等領(lǐng)域，近年來隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池的市場(chǎng)需求也在迅速擴(kuò)大。電動(dòng)汽車、電動(dòng)大巴為了保證乘客的人身和財(cái)產(chǎn)安全，因此對(duì)動(dòng)力電池的安全性要求極高，特別是在發(fā)生碰撞等嚴(yán)重的問題時(shí)，因此動(dòng)力電池的考核指標(biāo)中對(duì)擠壓、針刺等安全性指標(biāo)都有十分嚴(yán)格的要求。目前在所有的電池材料中，磷酸鐵鋰材料憑借著優(yōu)異的安全性能成為了動(dòng)力電池的首選材料。
新型導(dǎo)電碳材料提升磷酸鐵鋰材料性能
但是磷酸鐵鋰材料也存在著電壓低，導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致了磷酸鐵鋰的在放電過程中極化大，導(dǎo)致放電電壓降低等問題。為了改善LiFePO4的導(dǎo)電性人們從兩個(gè)方面對(duì)LiFePO4進(jìn)行了改性處理。
其中之一就是對(duì)材料進(jìn)行納米化處理，將磷酸鐵鋰顆粒納米化后，一方面提高了材料的比表面積，增大了接觸面積，提高了導(dǎo)電性，同時(shí)也減少了Li+的擴(kuò)散路徑，極高了材料的倍率性能。另外一個(gè)方法就是表面包覆處理，目前較為成熟的方法是在磷酸鐵鋰顆粒表面包覆一層石墨層，從而提升材料的導(dǎo)電性。
北京大學(xué)深圳研究生院的Wenju Ren等人從電極結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了研究，提出了軟性碳導(dǎo)電劑SCC的概念，軟性碳材料導(dǎo)電劑相比于硬碳導(dǎo)電劑能和活性物質(zhì)顆粒之間產(chǎn)生更大的接觸面積，從而使得電流分布和Li+分布更加均勻，從而減少在充放電過程中正極材料的極化，從而顯著的提升材料的容量和倍率性能。
Wenju Ren研究了三種不同形貌的導(dǎo)電碳材料——球狀、管狀和多孔導(dǎo)電碳材料，研究了幾種碳材料的sp2/sp3鍵混合比例、晶體結(jié)構(gòu)、表面缺陷、形貌、比表面積和孔狀結(jié)構(gòu)，以及這些碳材料于LFP顆粒的接觸情況。
其中孔狀結(jié)構(gòu)的碳材料具有發(fā)絲狀的形貌，并呈現(xiàn)出了非常柔軟的狀態(tài)，能夠于LFP顆粒之間產(chǎn)生很大的接觸面積，這主要是由于這種碳材料含有較大的sp2鍵比例(約80%)，大量的表面缺陷，較小的晶體尺寸(大約4nm)，以及巨大的比表面積(>1000m2/g)，因此這種材料也被稱為軟碳材料(SCC)，而其他類型的碳材料則被劃分為硬碳材料(HCC)和碳納米管(CNT)。
軟碳材料由于大量的表面缺陷和巨大的比表面積，因此極大的增加了其于LFP顆粒之間的接觸面積，顯著降低了接觸阻抗，增加電極的導(dǎo)電性。
新型導(dǎo)電碳材料提升磷酸鐵鋰材料性能
電化學(xué)測(cè)試表明，相比于采用HCC和CNT導(dǎo)電劑的極片，采用SCC導(dǎo)電劑的極片，放電電壓平臺(tái)更長(zhǎng)，充電電壓平臺(tái)和放電電壓平臺(tái)之間的差距更小。
在0.2，0.5，1，2，5，10C倍率下，采用軟碳SCC，磷酸鐵鋰粒徑為100nm(50nm)的材料的比容量分別達(dá)到155(162) 、148(159)、139(153)、130(144)、115(125)和100(110)mAh/g，而采用硬碳HCC的磷酸鐵鋰比容量則只有155(162)、148(159)、139(153)、130(144)、115(125)、100(110)mAh/g，在10C的倍率下，采用軟碳的LFP極片比容量為96mAh/g，比采用CNT的高出了約8mAh/g，比采用硬碳的LFP極片高出26mAh/g，很明顯采用軟碳材料SCC導(dǎo)電劑的LFP極片倍率性能要明顯好于采用硬碳材料HCC和CNT導(dǎo)電劑的LFP極片，當(dāng)然這對(duì)于其他正極材料也是有效的。
在該研究中Wenju Ren對(duì)幾種典型的導(dǎo)電碳材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)軟碳材料由于與活性物質(zhì)之間有較大的接觸面積，使得在充放電過程種電流分布更加均勻，從而減少了在充放電過程中LFP電極的極化現(xiàn)象，提高了LFP材料的容量和倍率性能。并首次定義了軟碳材料SCC的概念——多孔，具有發(fā)絲狀形貌的軟性碳材料，能夠與LFP材料之間產(chǎn)生較大的接觸面積；硬碳材料HCC——具有球狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)之間呈現(xiàn)點(diǎn)接觸。