Introducción del negro de humo conductor para baterías de litio

Qué es el negro de humo conductor

El negro de humo es un agente conductor tradicional. Por un lado, puede participar directamente en la construcción de redes conductoras de corto y largo alcance en las baterías de litio, mejorando significativamente el rendimiento eléctrico de las baterías; Por otro lado, su mayor superficie específica también puede tener un cierto efecto de adsorción en el electrolito, a través de su distribución para afectar a la distribución del electrolito, mejorar la infiltración del electrolito, e indirectamente aumentar la tasa de transmisión de iones de litio.

En la actualidad, el negro de humo se utiliza en China desde hace muchos años. Debido a su elevado coste y a su dispersión relativamente sencilla, es el principal agente conductor del mercado. En 2021, la aplicación de agente conductor de negro de carbón en el agente conductor de la batería de energía de China representará 60%.

El agregado es una estructura tridimensional de cadena ramificada formada por la colisión de partículas primarias en el horno de craqueo, y es la unidad indivisible más pequeña en el proceso de dispersión física del negro de humo. Debido a los diferentes modos de colisión de los distintos procesos, los agregados formados también son grandes o pequeños, compactos o sueltos.

En general, cuanto mayor sea el agregado y más irregular su forma, más aire tendrá en su interior, mayor será el valor de estructura del producto y más fuerte su capacidad para formar una red conductora en la pieza del poste. Se refleja en el índice de prueba, es decir, cuanto mayor sea el valor de absorción de aceite, mayor será el valor de estructura, y generalmente se exige un valor de absorción de aceite superior a 250 ml/100g.

Cuanto mayor sea la superficie específica, mayor será el área de contacto entre el agente conductor y las partículas activas del electrodo positivo, lo que favorece el transporte de electrones durante el proceso de carga y descarga, pero también aumenta la dificultad de dispersión y disminuye la estabilidad del ciclo. Un contenido excesivo de impurezas metálicas provocará la autodescarga de la batería y causará riesgos para la seguridad, por lo que generalmente se exige que se controlen dentro de 20 ppm.

El papel del negro de humo conductor

1. El tamaño de las partículas es pequeño, la superficie específica es grande, y tiene una mejor conductividad de iones y electrones, por lo que es beneficioso para la adsorción de electrolitos y mejora la conductividad de iones, y desempeña el papel de absorción y retención de líquido.

2. El negro de humo tiene una estructura de cadena ramificada formada por la aglomeración primaria de partículas, que puede formar una estructura conductora en cadena con los materiales activos, aumentar los puntos de contacto conductores y ayudar a mejorar la conductividad electrónica del material.

3.El negro de humo conductor tiene en sí mismo una alta conductividad, y una pequeña cantidad de adición puede lograr una alta conductividad.

4. Con menos cantidad añadida, la batería puede llenarse con más sustancias activas, lo que puede aumentar la capacidad de la batería.

5. Durante el proceso de carga y descarga de la batería, la resistencia no aumentará con el cambio del volumen de la batería, lo que puede mejorar la estabilidad de la batería.

Los principales tipos de negro de humo conductor

El negro de humo conductor incluye principalmente el negro de acetileno, el Super P y el negro de Ketjen. Hay muchas fábricas pequeñas en la industria del negro de humo de China y, en el pasado, los fabricantes se centraban principalmente en satisfacer las necesidades de desarrollo de la industria de neumáticos de carbono común y no cultivaban en profundidad el campo del negro de humo especial.

Por otro lado, el mercado del negro de humo conductor de iones de litio era relativamente pequeño en el pasado, y los fabricantes no le prestaban suficiente atención. Además, las barreras técnicas del negro de humo conductor de grado de batería de litio son relativamente altas, y la investigación y el desarrollo del reactor central requieren una cierta acumulación técnica. Por lo tanto, en la actualidad, el negro de humo conductor para baterías de litio de China depende básicamente de las importaciones.

En la actualidad, los principales negros de humo conductores para baterías de litio del mercado son el negro de acetileno, el SP, el negro de Ketjen, etc., principalmente de empresas como Hexing Chemical, la francesa Imerys y la japonesa Lion.

Diferencia entre el negro de humo ordinario y el negro de humo para baterías de litio

Por un lado, la precisión de los equipos es diferente. En principio, las líneas de producción no son muy diferentes. Todas utilizan aceite como materia prima, lo queman en un horno y, a continuación, pasan por una serie de procesos posteriores. La gran diferencia es el equipo de proceso, como el diseño del cabezal del horno, el cabezal del horno de combustión en la producción de negro de humo es muy crítico, incluyendo la boquilla de inyección de aceite en el cabezal del horno, etc. La precisión de estas piezas es muy crítica.

Para producir negro de humo de caucho no se necesitan componentes precisos. No es necesario que las gotas pulverizadas por la boquilla y atomizadas sean uniformes o muy rugosas; pero la producción de negro de humo de litio tiene muchos requisitos de precisión del equipo.

Por otro lado, el postprocesado es diferente. Una vez producido el negro de humo, es necesario cultivarlo para obtener una estructura superior. Y este proceso reduce la productividad. El negro de humo de caucho tiene una capacidad de producción de tres a cinco toneladas por hora o un día, mientras que el negro de humo conductor tiene una capacidad de producción de menos de una tonelada por hora, por lo que el negro de humo conductor tarda más en cultivarse.

Después, la producción de negro de humo conductor necesita tratar los iones metálicos, lo que llevará mucho tiempo, y habrá algunos equipos auxiliares que le ayuden a tratarlos a un nivel muy pequeño, mientras que el negro de humo de caucho no necesita tratar los iones metálicos.

Relación entre el índice y el rendimiento del negro de humo conductor

Los indicadores del negro de humo conductivo incluyen el valor de absorción de yodo, el valor de absorción de aceite, el volumen específico aparente, el contenido de cenizas, la resistividad, el pH, el tamaño de las partículas, el área superficial específica, la humedad, el residuo de tamizado, la materia volátil, las impurezas, etc. Sin embargo, los indicadores relacionados con su conductividad son principalmente: el tamaño de las partículas, el valor de absorción de aceite, el área superficial específica, la materia volátil superficial, el contenido de cenizas y la humedad.

Relación entre el valor de absorción de aceite y la conductividad: El valor de absorción de aceite representa el nivel de la estructura agregada del negro de humo conductor. Generalmente, cuando el valor de absorción de aceite es alto, el negro de humo conductor tiene una estructura de cadena ramificada, y la conductividad es mejor. Por lo tanto, la elección del negro de humo conductor con buena conductividad depende del producto de negro de humo con alto valor de absorción de aceite del negro de humo.

Relación entre el tamaño de las partículas y la conductividad: Teóricamente, cuanto menor sea el tamaño de las partículas, más partículas por unidad de volumen, lo que es beneficioso para mejorar la conductividad, pero también depende de en qué tipo de productos se utiliza el negro de humo, y luego hacer una elección adecuada.

Relación entre la materia volátil superficial y la conductividad eléctrica: la materia volátil en la superficie del negro de humo se compone principalmente de algunos grupos orgánicos y la película de aceite que no se ha agrietado completamente, formando una capa aislante aumenta la barrera de potencial entre las partículas de negro de humo y afecta seriamente a la conductividad, por lo que el volátil debe ser controlado a un límite inferior.

Relación entre la superficie específica y la conductividad eléctrica: el índice de área superficial específica del negro de humo conductor se divide en área superficial de adsorción de nitrógeno y área superficial de CTAB, ambas afectarán a la conductividad del negro de humo. Al seleccionar el negro de humo conductor, generalmente se requiere que la diferencia entre el área de superficie de adsorción de nitrógeno del negro de humo y el área de superficie de CTAB sea grande.

La relación entre la ceniza y la humedad y la conductividad eléctrica: el alto contenido de ceniza y humedad en el negro de humo reduce realmente el contenido de negro de humo conductor, lo que también tiene un efecto adverso en la conductividad eléctrica. Al elegir el negro de carbón, preste atención a controlar el contenido de ceniza y agua en el negro de carbón.

Tamaño del mercado del negro de humo conductor

El negro de humo conductor se aplica a la tecnología de las baterías de iones de litio. En la actualidad, Cabot, en Estados Unidos, e Imerys, en Francia, pueden utilizar el negro de humo conductor en las baterías de iones de litio. En la actualidad, las empresas chinas no utilizan a gran escala el negro de humo conductor en las baterías de iones de litio. En vista de la vacante en el mercado chino, algunas empresas chinas se encuentran todavía en fase de investigación y desarrollo. En el futuro, se espera que el uso de negro de humo conductor nacional en las baterías de iones de litio suponga un gran avance.

Desde la perspectiva del tamaño del mercado mundial de negro de humo conductor, la capacidad de producción del mercado en 2021 es de unas 32.000 toneladas, y para 2025, con la expansión de la producción de los principales fabricantes, se espera que la capacidad de producción alcance unas 100.000 toneladas. En 2021, la demanda de la industria del negro de humo conductor de China será de 16.400 toneladas, un aumento interanual de 76,34%. Se espera que el mercado chino mantenga un rápido crecimiento en 2022, y se espera que la demanda alcance las 28.600 toneladas.

Si desea conocer la introducción de otros agentes conductores, consulte nanotubo de carbono, material de grafeno, materiales para baterías.