目前市场上的主要锂离子电池正极材料如磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料等,本身的电导率很低,锂离子电池的正极需要具备良好的电导性,因此需要在正极掺杂一些导电剂来提高电子电导率。

 

导电剂材料介于活性材料之间,在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用,以减小电极的接触电阻,加速电子的移动速率。此外,导电剂还可以改善极片的工作性能,促进极片的电解液渗透,从而提高电极的充放电效率和锂电池的使用寿命。
锂电池用碳纳米管10强
导电剂含量适当能获得较高的放电容量和较好的循环性能,含量太低则电极中活性物质利用率低,电子导电通道少,不利于充放电;太高则降低了活性物质的相对含量,使电池容量降低。

锂离子电池导电剂进化阶段

炭黑材料,其特点是点状导电剂,也可以称作零维导电剂,主要通过颗粒之间的点接触提高导电性;
碳纳米管具有一维纤维状结构的导电剂,增大了与电极材料颗粒的接触,大大提高了电极的导电性,降低了极片电阻;
石墨烯具有二维的片层状结构,极大的增加了电极颗粒之间的接触,提高了导电性,并降低了导电剂的用量,提高了锂离子电池的能量密度。
导电剂
优点
缺点
2020年
(万元/吨)
添加量(wt%)
碳纳米管
导电性能优异,添加量小,提升能量密度,提升电池寿命
需要预分散,价格较高
15-50
0.5-4%
石墨烯
导电性优异,比表面积大,添加量小,提升能量密度,可提升极片压实性能
分散性能较差,价格高
60-100
0.5-2%
炭黑
价格便宜,经济性高
导电性能相对较差,添加量大,降低正极活性物质占比,全依赖进口
5.0-6.5
进口:
8-15%;
国产:
10-35%
小编准备分3部曲依次介绍锂离子电池导电剂:碳纳米管,石墨烯,炭黑。
今天介绍的主角 -- 碳纳米管
锂电池用碳纳米管10强
图源:天奈科技官网--刘程

锂电池用碳纳米管10强

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碳纳米管CNT为管状的纳米级石墨晶体,是单层或多层的石墨层围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管状结构,可以分为单壁SWCNTs和多壁MWCNTs,一维结构的碳纳米管与纤维类似呈长柱状,内部中空。
锂电池用碳纳米管10强
碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性,优异的导电性,导热性,耐酸性和耐碱性。碳纳米管一般直径在5纳米左右,长度达到10-20微米,它不仅能够充当“导线”的作用,同时还具有双电层效应,相当于超级电容器可以发挥高倍率特性。
碳纳米管缺点是比表面积较大,不易分散。因此需要解决CNT的分散性,目前可以通过高速剪切、添加分散剂、做成分散浆料、超细磨珠静电分散等工艺解决。

碳纳米管生产工艺   

制备碳纳米管工艺包括化学气相沉淀法、激光蒸发法、石墨电弧法、水热法等。
生产工艺
优点
缺点
化学气相沉积法(CVD)
反应过程易于控制,反应温度相对较低,产品纯度较高,成本低,产量高,适用性强。
粗产品中结晶度较低。
激光蒸发法
可连续操作、产品纯度高、质量好
产量低、成本高、难以工业化生产。
石墨电弧法
碳纳米管管直、壁薄、结晶度高。
纯度低,产率低,成本高,且电弧放电过程难以控制,难以工业化。
水热法
产品管径小、纯度高、收率较高。
成本高、难以工业化。
CVD法是碳纳米管主要生产工艺,国内企业技术成熟,可以根据客户需求批量化生产。碳纳米管管径越细、长度越长,导电性能越好。天奈科技FT2000系列碳纳米管粉体,管径2-4nm,长度≥500um,纯度达80%以上,产品性能位于世界前列。

天奈科技碳纳米管生产工序

1)催化剂制备:根据碳纳米管生产需要,制备催化剂;
2)CNT 粗粉制备:将催化剂放入碳纳米管反应器,再将丙烯、氮气等按照一定比例、气流速度导入,在高温条件下生长得到碳纳米管粗粉;
3)粗粉纯化:纯化工序,高温氧化除去无定型碳杂质,石墨化除去催化剂金属杂质;
4)粉碎:将制得的碳纳米管纯粉于粉碎机内进行粉碎,制备得到分散性较好的碳纳米管粉体。
锂电池用碳纳米管10强

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碳纳米管生产企业   

1.天奈科技

锂电池用碳纳米管10强
江苏天奈科技股份公司成立于2011年,是一家致力于碳纳米管、石墨烯的研发、生产及应用性开发和销售的高新技术企业,商业化应用领域已包括锂电池、导电高分子复合材料、抗静电涂料、轮胎橡胶增强等;公司产品包括碳纳米管粉体、碳纳米管导电浆料、石墨烯复合导电浆料、碳纳米管导电母粒等。
锂电池用碳纳米管10强

2.青岛昊鑫(道氏技术收购)

锂电池用碳纳米管10强
青岛昊鑫新能源科技有限公司成立于2012年,投资12000万元,坐落于青岛平度高新技术产业园,占地面积4万平方米。昊鑫科技专注于二次电池用碳材料(包括锂离子电池用天然石墨、人造石墨、硅碳;二次电池用碳纳米管和石墨烯导电剂)的研发、生产和销售。昊鑫科技拥有从石墨原矿开采到最终产品的全套现代化工艺和设备,年产碳纳米管500吨,石墨烯500吨。
锂电池用碳纳米管10强
碳纳米管粉体HX-N
 

3. 三顺纳米(卡博特收购)

 锂电池用碳纳米管10强
深圳市三顺纳米新材料股份有限公司创立于2011年,是一家专注于碳纳米技术的研发与碳纳米材料的研发、生产和销售的高新技术企业,公司致力于开发、生产高性能碳纳米管(CNTs),产品应用于锂离子电池导电剂、工程塑料、透明导电膜、场发射等。
锂电池用碳纳米管10强
碳纳米管干粉

4. 德方纳米

锂电池用碳纳米管10强
深圳市德方纳米科技股份有限公司创建于2007年1月,是一家致力于锂离子电池核心材料的研发、生产和销售的国家高新技术企业。公司总部位于深圳市南山区,并在广东佛山、云南曲靖建有大型研发和生产基地。

5. 金百纳

锂电池用碳纳米管10强
深圳市金百纳纳米科技有限公司成立于2013年1月,是一家专业从事碳纳米材料及相关产品研发、生产、销售和服务的高新技术企业。公司为动力类锂离子电池和消费类锂离子电池生产商提供一体化解决方案。
锂电池用碳纳米管10强

6. 纳米港

锂电池用碳纳米管10强
深圳市纳米港有限公司成立于2001年4月25日 ,是国内较早从事碳纳米管开发和生产的高科技企业。纳米港依靠拥有自主知识产权的纳米技术,已实现了碳纳米管的产业化。纳米港目前主要产品包括各种规格的碳纳米管粉体、碳纳米管导电浆料、纳米晶石墨等碳基纳米材料。
锂电池用碳纳米管10强
工业级碳纳米管粉体

7. 无锡东恒

锂电池用碳纳米管10强
东恒新能源成立于2011年,目前公司主要产品是碳纳米管导电浆料、锂离子电池石墨烯、锂离子电池石墨烯和碳纳米管导电浆料的融合研发,其中碳纳米管粉末和碳纳米管导电浆料已经成功销入比亚迪、韩国三星、天津力神、哈光宇、ATL、万象等国内外知名新能源企业中。

8. LG化学

锂电池用碳纳米管10强
LG化学创立于1947年,2019年进入全球化工企业10强,LG化学的自主生产的碳纳米管作为直径为纳米的管状碳的同素异形体,主要被用于需防静电及电磁波干扰控制的导电性产品材料、汽车外置配件、用于静电涂装的塑料、锂离子电池的导电材料。
锂电池用碳纳米管10强

9. OCSiAl

锂电池用碳纳米管10强
OCSiAl的创立于2009年,总部设在卢森堡,OCSiAl的年产能为90吨单壁碳纳米管,占全球单壁碳纳米管市场的97%。
TUBALL™单壁碳纳米管

10. Nanocyl S.A

锂电池用碳纳米管10强
Nanocyl SA 于 2002 年在比利时成立,是制造工业多壁碳纳米管 (MWCNT) 的先驱之一。Nanocyl 提供高质量的碳纳米管 (CNT) 解决方案,可改善材料的性能,例如 ESD/导电性、机械增强、散热和环保型污垢释放。NANOCYL® NC7000™ 系列薄多壁碳纳米管通过催化化学气相沉积 (CCVD) 工艺生产。
锂电池用碳纳米管10强
NANOCYL® NC7000™多壁碳纳米管
国内外主要生产企业对比
公司
国家
主要情况
产能布局
天奈科技
中国
全球第一大碳纳米管生产商,行业技术引领者,掌握核心指标控制技术,与国内一流电池企业合作关系稳定
20年:3万吨浆料、1500吨粉体;
21年:5万吨浆料、4000吨粉体
青岛吴鑫(道氏技术收购)
中国
客户长期稳定,导电浆料产能大,拥有从石墨原矿开采到最终产品的全套现代化工艺和设备
19年:1.72万吨浆料、500吨粉体;
20/21年:2万吨浆料
三顺纳米(卡博特收购)
中国
产品丰富度高,卡博特已打通资金、原料到产品应用全产业链,资金链稳健
18年11月开设新碳纳米管工厂,目前规划产能1万吨
LG化学
韩国
拥有全球最大的流化床反应器,资金雄厚,品牌影响力大
21Q1前丽水工厂投资3.74亿元,粉体产能从500吨扩大至1700吨
Nanocyl S.A
比利时
开发、制造和销售工业多壁碳纳米管(MWCNT)和其配方产品,包括纳米磷酸铁锂、碳纳米管导电液及碳纳米管等。海外认可度高。
主要CNT产品NC7000:平均直径9.5nm,长度1.5mm
OCSiAl
俄罗斯
世界上唯一拥有规模化工业合成单壁CNT技术的公司,主要产品为TUBALL,在美韩中印等国均已开展业务。三大研发中心(俄罗斯、上海、卢森堡)涵盖五大主要应用:电池、塑料、涂料、复合材料和弹性体。
两条生产线总产能75吨占全球单壁CNT 市场90%以上份额。23年卢森堡新产线投产后产能达175吨。
国内碳纳米管企业产品对比
公司
产品型号
直径(nm)
长度 (um)
纯度(%)
天奈科技
第三代产品
5-10
5-30
98.5
第二代产品
7-11
5-20
99.8
第一代产品
10-15
3-10
99.8
三顺纳米
CNTS40
30-50
5-12
99.2
HCNTS10
10-20
5-12
99.5
CNTS10
10-20
5-12
97.5
GCNTS5
5-10
>15
99.2
CNTS20
20-30
5-12
98.7
青岛昊鑫
/
8-15
10-20
>98
德方纳米
CNT-F1
7-12
5-10
99.99
CNT-N1
50-100
5-10
99.98
无锡东恒
DH-S1粉
40-60
10-20
>98
DH-P1-5B 浆料
50
20
>98
DH-P2-5 浆料
10-20
20
>98
金百纳
GCN168-C02
30-60
/
97.5
GCN168-C01
10-25
/
97.5
GCN168-C04
7-15
/
97.5
GCN168-COH
5-12
/
99.5
纳米港
NTP3003
7-15
5-15
>95
NTP3021
15-25
5-15
>95
资料来源:各公司官网,个人图书馆,东吴证券研究所,电池中国网等

 

 
新能源汽车的快速发展带动了动力电池的高速增长。动力电池生产流程一般可以分为前段、中段和后段三个部分。其中,前段工序包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切等,中段工序包括卷绕/叠片、封装、烘干、注液、封口、清洗等,后段主要为化成、分容、PACK等。材料方面主要有正负极材料,隔膜,电解液,集流体,电池包相关的结构胶,缓存,阻燃,隔热,外壳结构材料等材料。 为了更好促进行业人士交流,艾邦搭建有锂电池产业链上下游交流平台,覆盖全产业链,从主机厂,到电池包厂商,正负极材料,隔膜,铝塑膜等企业以及各个工艺过程中的设备厂商,欢迎申请加入。

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作者 lv, mengdie