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。
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
(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。
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%。