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综述！超越传统碳：石墨烯和碳纳米管作为锂离子电池的先进导电添加剂——挑战与机遇

2025-10-30

1成果简介

随着高性能锂离子电池需求的增长，碳纳米管和石墨烯作为关键导电添加剂，正推动该领域技术进步。相较于传统炭黑，这些材料具有卓越的导电性、优异的机械柔韧性及独特的尺寸优势，在构建高效三维导电网络方面展现出巨大潜力，显著提升电极内部电子与离子的传输动力学。

本文，昆明理工大学蔡金明教授团队在《CHEMNANOMAT》期刊名为“Beyond Conventional Carbon: Graphene and Carbon Nanotubes as Advanced Conductive Additives for Lithium-Ion Batteries—Challenges and Opportunities”的综述，系统性地探讨了其尺寸依赖性特性、复合体系中的协同效应及具体应用场景，并深入剖析了在磷酸铁锂正极、镍钴锰正极、硅基负极等电极体系中的性能优化机制。针对导电网络分散均匀性与长期结构稳定性等关键挑战进行了批判性分析，通过综合和讨论最新的研究进展，本文为导电添加剂材料的未来研究方向提供了宝贵的见解和指导。

2图文导读

2.1碳纳米管和石墨烯：基本性质和传导机制

图2、a) CNT conductive network and its characteristic advantages. b) SEM image of CNT conductive network with corresponding fitted EIS data of the electrode (Reproduced with permission.Copyright 2024, Elsevier). c) Schematic illustration of the mechanism for maintaining electrode structural integrity by CNTs (Reproduced with permission。

图3、a）石墨烯-碳纳米管协同导电网络及其特征优势。b）石墨烯-CNT杂化导电网络示意图、TEM表征及相应性能对比。

2.2 、在不同电极系统中的应用

图4、a) The preparation process and the microscale structure of LFP/graphene composite. b) Comparison of rate capability of LFP/G, LFP/C, and LFP/(G?+?C). c) Comparative cycling performances of LFP/G, LFP/C, and LFP/(G?+?C) operated under 10?C charging and 20?C discharging (Reproduced with permission. Copyright 2011, RSC). d) The synthesis process for the LiFePO4/CNTs nanocomposites. e) The initial charge/discharge curves and rate capabilities of the LiFePO4/CNTs composites electrodes with different C2H4/H2 proportions. f) Rate capabilities and cycling stabilities of LiFePO4 and LiFePO4/CNTs composites at different rates (0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, and 10?C). g) Long-term stability of LiFePO4 and LiFePO4/CNTs composites at 1?C. h) Electrochemical impedance plots of LiFePO4 and LiFePO4/CNTs composites from 105 to 0.01?Hz and equivalent circuit. i) Cyclic voltammetry curves of the LiFePO4 and LiFePO4/CNTs composites at a scan rate of 0.2?mV s?1. j) Cyclic voltammetry curves of the LiFePO4/CNTs composites at different scan rates from 0.5 to 3.0?mV?s?1 (Reproduced with permission.[110] Copyright 2025, Elsevier).

图5、a) The synthetic procedure of the sandwich-structured Si@C-rGO composite. b) Voltage profiles for different cycles. c) Cycling stabilities of Si@C-rGO, Si-rGO, and pristine Si NPs at a current density of 300?mA?g?1. d) Capacity and Coulombic efficiency of Si@C-rGO for 400 cycles. e) Marked charge/discharge capacities at various rates (Reproduced with permission.[138] Copyright 2016, Wiley). f) Schematic illustration of three kind of states of MWCNTs through the SC layer and the transfer behavior of electron and Li ion. g) EIS of Si-MWCNTs-PVPC-FPC-SC-1 and Si-FPC-SC electrode materials. h) Equivalent circuit used to model EIS data for electrode materials. i) Relationship of the Z+re and ω?1/2 of the Si-MWCNTs-PVPC-FPC-SC-1 and Si-FPC-SC. j) Rate capability of Si-MWCNTs-PVPCFPC-SC-1 and Si-MWCNTs-PVPC-FPC-SC-2. k) Long-term cycling performance of Si-MWCNTs-PVPC-FPC-SC-1 and Si-MWCNTs-PVPC-FPC-SC-2 electrode at 1?A?g?1

2.3 工业化挑战

石墨烯和碳纳米管作为高性能导电添加剂对电极电化学性能的优化效果从根本上取决于它们在电极浆料中的均匀分散性和最终电极结构内的三维空间分布。如第2章所述，这些低维碳纳米材料的高比表面积和强烈的范德华相互作用使它们在浆料制备和电极干燥过程中容易发生无法控制的团聚。这种团聚损害了导电渗滤网络的结构完整性和连续性，导致电子传导路径中断和离子传输通道阻塞。因此，电极电子电导率显著降低，界面电荷转移阻抗急剧增加，并且可能出现不均匀的电流密度分布和局部极化。最终，这些微观结构缺陷表现为宏观电池性能下降：速率能力下降、循环能力衰减加速以及库仑效率降低。

更关键的是，导电网络不连续性和局部高阻抗会引起不均匀的电化学反应和过度的副反应（例如，局部锂电镀、加速电解质分解）。这些现象会导致电极/电解质界面处不可逆转的结构损伤和化学降解，从而显著缩短电池的整体寿命(图5）。

图6、导电剂均匀分散与团聚的示意图。

在产业整合方面，全球主要电池制造商已开始在其优质产品线中测试或采用碳纳米管和石墨烯导电剂。例如，宁德时代（宁德时代）和LG化学将CNT导电浆料融入其高镍NCM/NCA阴极中，以构建更强大的导电网络，解决与高速率充电和长循环寿命相关的挑战。比亚迪的“刀片电池”技术还探索了使用新型导电剂来优化性能。此外，特斯拉的干电极工艺消除了溶剂并减轻了导电剂的再团聚，为碳纳米管和石墨烯的应用提供了一个有前途的平台。

总之，碳纳米管和石墨烯现在是商业上成功的导电添加剂，这得益于其卓越的性能。它们在下一代储能中不断扩大的作用将取决于不断努力降低成本和增强与先进制造技术的兼容性。

3小结

本综述系统性地总结了碳纳米管（CNTs）和石墨烯作为锂离子电池先进导电添加剂的关键作用，重点探讨了其结构与电学特性。相较于传统炭黑，CNTs和石墨烯展现出卓越的电导率、机械柔韧性及尺寸优势。通过在活性材料间构建高效导电网络，它们显著提升电极内部的电子与离子传输效率，增强倍率性能并强化循环稳定性。

这些卓越特性使碳纳米管与石墨烯在磷酸铁锂正极、镍钴锰正极及硅基负极中发挥显著作用，展现出广阔的应用前景。然而分散性仍是主要挑战——范德华力引发的团聚常导致导电添加剂分布不均，造成活性物质覆盖不足，削弱导电网络效能。虽然干法处理能有效分散导电剂并避免湿法工艺干燥步骤常见的再团聚现象，但仅靠机械手段实现纳米级分散难度大且难以规模化。未来研究应探索混合湿干分散策略——例如在极少量溶剂中用分散剂和粘合剂精细分散导电剂，随后与活性材料粉末进行机械融合——以获得更优的分散效果。

长期循环中的结构退化是另一挑战。尺寸协同设计与缺陷工程在增强导电网络耐久性方面展现出潜力，需在此方向深化研究，例如通过石墨烯原位生长碳纳米管来提升力学性能并构建三维导电路径。

除材料设计与工艺创新外，还需进一步开发评估导电剂分散性的表征方法。更精确的导电网络分布表征可为材料与工艺设计提供关键反馈，有助于识别现有问题并推动针对性改进。

综上所述，石墨烯与碳纳米管作为构建高性能导电网络的核心先进材料，对推动锂离子电池技术实现更高能量/功率密度及更长循环寿命至关重要。通过创新材料工程与工艺解决分散均匀性、长期结构稳定性等顽固难题，将是实现其在下一代储能设备中全面应用的关键（图7）。

图7、The evolutionary path of graphene and CNT conductive agents from research to commercial implementation.

文献：