2022年版中国导电剂行业发展现状趋势分析及投资战略研究报告

报告编号：3900

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导电剂是添加在锂离子电池电极中，以建立更高效的导电网络，提高电池倍率性能和循环寿命的一种材料：与传统的铅酸（lead acid）、镍镉（Ni-Cd）和镍氢（Ni-MH）电池等相比，锂离子（Li-ion）电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、质量轻、自放电小、无污染、无记忆效应等突出特点，已广泛应用于移动电话、照相机、小型摄像机、笔记本电脑等 3C 数码领域，作为动力电源在电动车中得到推广，还将在储能电站、智能电网、军事、航天航空等领域逐步渗透。锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜和粘结剂、导电剂等其他附属材料组成，在目前的锂离子电池体系中，常用正极材料为过渡金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等，常用负极材料为石墨、硅基材料等。正极材料本身的离子与电子电导率较低，电阻值较高，容易引起电极极片的极化，是限制电池充放电循环和倍率性能的主要因素。为了建立更高效的电池正负极材料之间的导电网络和结构，通常需要在制作电极时加入一定量的碳类导电剂，在活性物质之间、活性物质与集流体之间形成更多的电子和离子通道，减小电极的接触电阻，加速电子的移动速率。此外，导电剂也可以提高极片加工性，促进电解液对极片的浸润，有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率，降低极化，从而提高电极的充放电效率和使用寿命。
导电剂的性能很大程度上取决于材料的结构和其与活性物质接触的方式，根据其结构不同在活性物质之间各形成点、线或面接触式的导电网络：导电剂可分为传统导电剂和新型导电剂，传统导电剂包括导电炭黑和导电石墨等，新型导电剂包括碳纳米管和石墨烯导电剂。最早的导电炭黑类、导电石墨类材料为点状结构，也称零维导电剂，主要是通过颗粒之间的点接触提高导电性；导电碳纤维主要包括碳纳米管（CNTs）和气相生长碳纤维（VGCF） 具有一维的纤维状结构，，CNTs 是 1991 年被明确报道的一种碳纳米结构，是由石墨烯片层沿轴线卷曲而成的无缝、中空的管状材料，按照石墨烯片层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，由于其纤维状结构，可以穿插在活性物质间，增大了与电极材料颗粒的接触，在大大提高导电率的同时也可以起到物理粘结剂的作用，而 VGCF是由石墨烯片卷成的无缝圆锥面堆叠而成，类似鲱鱼骨的形状，因结晶度低、导电性差，各项性能均劣于 CNTs，目前已不是研究热点；石墨烯（GN）是 2004 年被首次发现，具有二维的片层状结构，有着优良的导电性和导热性，这种结构使得石墨烯片层可以附着在活性物质颗粒上，为正负极活性物质颗粒提供大量的导电接触位点，使电子在二维空间内传导，构成一个大面积的导电网络。

新型导电剂材料性能优于传统材料，碳纳米管+石墨烯复合导电剂阻抗最低，在单一材料导电剂里碳纳米管导电剂性能最优：不同材料的导电剂体系阻抗不同，阻抗越低，代表导电性能越好。在单一材料导电剂里，碳纳米管导电剂阻抗最低，性能最好，而石墨烯导电剂单独使用时效果较差，主要是由于 GN 的二维片状结构，会对 Li+产生位阻效应，只有片径小于或等于活性物质粒径时，位阻效应才可以忽略；在复合材料导电剂里，碳纳米管+石墨烯复合导电剂阻抗最低，性能最好，同时也可发现石墨烯配合颗粒状或线状导电剂使用时导电性能得到大大加强。
在实际应用中，炭黑作为传统的导电剂工艺已经相当成熟，应用非常广泛，价格比较稳定，添加量一般比较大。石墨导电剂基本为人造石墨，颗粒比较大，有更好的压缩性和分散性，可改善极片颗粒的压实性能，同时用于负极更可提高负极容量，一般配合炭黑使用。随着新能源汽车对锂电池能量密度和续航里程要求的提高，导电性能更加优异的碳纳米管和石墨烯等新型导电剂越来越受到重视。相比传统导电剂，新型导电剂对电池容量、倍率、循环有更加明显的改善。

新型导电剂价格虽比传统导电剂高，但添加量更小，随着技术与工艺的成熟，未来应用前景良好：电极中的导电剂添加量需适当，含量太低会导致电子导电通道不足，不利于大电流充放电；含量过高则会降低活性物质的相对含量，使电池容量降低。数据显示，传统炭黑导电剂在正极浆料中的添加比例在 3%左右，而新型导电剂碳纳米管和石墨烯的添加比例则能降低至 0.5%~1.0%。因此，虽然新型导电剂粉体价格比传统导电剂要高许多，但要达相同导电性能，用量仅为传统导电剂的 1/6~1/2。加上其导电性能极佳，能使锂电池循环过程中保持良好的电子和离子传导，从而大幅提升锂电池的循环寿命，符合锂电池特别是动力锂电池对更高能量密度的要求。因此，随着新型导电剂生产技术与工艺的愈发成熟，未来应用会越来越广泛。