今天我们的科普聚焦于一种良好主流的导电剂——导电炭黑
一、定义、用途、特点
图1 炭黑分类图
炭黑是碳元素的一种存在形式，为无定形态。按用途可以分为橡胶用炭黑和非橡胶用炭黑，非橡胶用炭黑又称为特种炭黑，包括色素炭黑、导电炭黑、塑料用炭黑以及专用炭黑等。其中导电炭黑（conductive carbon black）是具有低电阻或高电阻性能的炭黑，可赋予制品导电或防静电作用，其特点为粒径小、比表面积大且粗糙、结构高、表面洁净(化合物少)等，其体积电阻率约为0.1Ω·cm。
图2（a）导电炭黑外观图；（b）导电炭黑微晶结构图
二、性能指标
导电炭黑的性能主要由结构性、比表面积、磁性杂质含量决定。
（1）结构性：通常用吸油值表征，表明了炭黑粒子与粒子之间聚结成链状的程度，结构性越高，越容易形成难以破坏的导电网络通道，导电性越好。但是吸油值高的导电炭黑对聚合物粘结剂、液态和聚合物电解质的吸附能力比较强，分散性较差。
图3 导电炭黑聚集体型态图
（2）比表面积：比表面积越大，与正极活性颗粒的接触面积越大，越有利于充放电过程中的电子传输。
（3）磁性杂质含量：一般要求控制在20ppm以内，含量过高会造成电池内短路而出现自放电现象，从而降低安全性。
三、生产工艺
炭黑的制备工艺可以分为“不完全燃烧法”和“热裂解法”两类。不完全燃烧法（热氧化分解法）包括油炉法、气炉法、喷雾法、灯烟法、槽法、滚筒法、混气法；热裂解法包括热裂法、乙炔法和等离子法。其中，油炉法具有工艺调节方法多、热能利用率高、能耗小及成本低等特点，是炭黑的主要生产工艺。
表1 炭黑生产工艺对比
表2 常见导电炭黑的合成方法
生产工艺方面，导电炭黑的主要壁垒在于反应炉设备的设计。较高性能要求下，锂电级导电炭黑的生产工艺较普通炭黑需要特别设计。主要体现在以下两个方面：
（1）设备精度：
导电炭黑的设备精度要求高，反应炉的设计为制备导电炭黑的关键。生产导电炭黑所用的反应炉一般在普通炭黑的基础上进行改造。反应炉主要包括燃烧段、喉管段、反应段、急冷段、气化停留段。燃料在燃烧段燃烧为炭黑裂解反应提高能量，喉管段为原料注入段，反应段是炭黑不完全燃烧和裂解的区域，急冷段通过水终止炭黑生产反应（炭黑在此阶段进行表面氧化反应），气化停留段为炭黑烟气形成区。
影响炭黑质量主要集中在燃烧室和喉管段，炉头中的喷油嘴等部件精度非常关键。燃烧室内燃料燃烧不充分，燃烧气流温度不高、流速低，喉管段内的原料油雾化程度不佳，反应温度和压力不均，以及喉管原料油喷入位置布局不佳，均会影响炭黑产品品质、品种的生产，导致效益不佳。
（2）后处理水平：
锂电级导电炭黑需要控制磁性杂质含量，在生产过程中需要处理金属离子，对金属离子含量要求较普通炭黑高。为降低金属离子含量，需要借助除磁等辅助设备，同时消耗较长时间。
四、市场应用
由于市场定位偏差，国内炭黑企业布局较晚、技术积累不足，导电炭黑主要依赖海外进口。随着下游新能源汽车加速渗透、锂电需求大增，海外导电炭黑供不应求且价格较高，国内企业开始启动国产化，逐步实现技术突破。从市场端应用来看，导电炭黑的渗透率最高，2022 年中国动力电池市场以导电炭黑为主，中国动力电池导电剂中导电炭黑占比为 65%。
图4 (a）导电石墨、导电炭黑、碳纳米管性能表现；(b)中国动力电池导电剂占比情况
本文来自国科炭美，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
