锂离子电池集流体种类与选择
时间:2021-10-26 12:31 作者:综合报道
集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一，它不仅能承载活性物质，而且还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出，有利于降低锂离子电池的内阻，提高电池的库伦效率、循环稳定性和倍率性能。 锂离子电池集流体 原则上，理想的锂离子电池集流体应满足以下几个条件: (1) 电导率高; (2) 化学与电化学稳定性好; (3)机械强度高; (4) 与电极活性物质的兼容性和结合力好; (5) 廉价易得; (6) 质量轻。 但在实际应用过程中，不同的集流体材料仍存在这样那样的问题，因而不能完全满足上述多尺度需求。如铜在较高电位时易被氧化，适合用作负极集流体; 而铝作为负极集流体时腐蚀问题则较为严重，适合用作正极的集流体。目前可用作锂离子电池集流体的材料有铜、铝、镍和不锈钢等金属导体材料、碳等半导体材料以及复合材料。 2.1 铜集流体 铜是电导率仅次于银的优良金属导体，具有资源丰富、廉价易得、延展性好等诸多优点。但考虑到铜在较高电位下易被氧化，因此常被用作石墨、硅、锡以及钴锡合金等负极活性物质的集流体。常见的铜质集流体有铜箔、泡沫铜和铜网以及三维纳米铜阵列集流体。 2.1.1 铜箔集流体 根据铜箔的生产工艺，可进一步将铜箔分为压延铜箔和电解铜箔。与电解铜箔相比，压延铜箔的电导率更高，延伸效果更好，对弯曲度要求不高的锂离子电池可以选择电解铜箔作为负极集流体。研究表明，增加铜箔表面的粗糙程度有利于提高集流体与活性物质之间的结合强度，降低活性物质与集流体之间的接触电阻，相应地，电池的倍率放电性能及循环稳定性也更好。  2.1.2 泡沫铜集流体 泡沫铜是一种类似于海绵的三维网状材料，具有质量轻、强度韧性高以及比表面积大等诸多优点。虽然硅、锡负极活性材料具有很高的理论比容量，并被认为是颇有发展前景的锂离子电池负极活性材料之一，但在循环充/放电过程中也存在体积变化较大、粉化等缺点，严重影响电池性能。研究表明，泡沫铜集流体可以抑制硅、锡负极活性物质在充放电过程中的体积变化，减缓其粉化现象，从而提高电池性能。  虽然金属铝的导电性低于铜，但在输送相同电量时，铝线的质量只需要铜线的一半，无疑，使用铝集流体有助于提高锂离子电池的能量密度。此外，与铜相比，铝的价格更为低廉。在锂离子电池充/放电过程中，铝箔集流体表面会形成一层致密的氧化物薄膜，提高了铝箔的抗腐蚀能力，常被用作锂离子电池中正极的集流体。  2. 3 镍集流体 相对而言，镍属于贱金属，价格较为低廉，具有良好的导电性，且在酸、碱性溶液中较稳定，因此，镍既可以作为正极集流体，也可以作为负极集流体。与其匹配的既有正极活性物质磷酸铁锂，也有氧化镍、硫及碳硅复合材料等负极活性物质。   氧化镍具有结构稳定、价格便宜等优点，且具有较高的理论比容量，是一种应用广泛的锂离子电池负极活性物质。基于此，通过固相氧化法在泡沫镍表面原位生长一层氧化镍，制备以泡沫镍为集流体的氧化镍负极。与镍箔/氧化镍负极相比，泡沫镍/氧化镍负极的首次放电比容量大幅度增加。原因在于，与二维集流体相比，三维结构的集流体减少了界面极化现象，提高了电池的充/放电循环稳定性。 磷酸铁锂因具有安全性好、原料来源广泛等优点而被认为是动力锂离子电池理想的正极活性材料，将其涂覆在泡沫镍集流体表面可以增加LiFePO4 与泡沫镍的接触面积，降低界面反应的电流密度，进而提高LiFePO4 的倍率放电性能。 2.4 不锈钢集流体 不锈钢是指含有镍、钼、钛、铌、铜、铁等元素的合金钢，具有良好的导电性和稳定性，可以耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等强腐蚀介质的化学侵蚀。不锈钢表面也容易形成钝化膜，可以保护其表面不被腐蚀，同时不锈钢可以比铜加工得更薄，具有成本低、工艺简单及大规模生产等优点。不锈钢可以作为正极或负极的集流体，常见的不锈钢集流体有不锈钢网和多孔不锈钢两种类型。 2. 4. 1 不锈钢网集流体 不锈钢网的质地致密，作为集流体时，其表面被电极活性物质包裹，基本不与电解液直接接触，不易发生副反应，有利于提高电池的循环性能。 2. 4. 2 多孔不锈钢集流体 为了充分利用活性物质、提高电极的放电比容量，一个简单有效的方法便是采用多孔集流体。 2.5 碳集流体 以碳材料作为正极或负极集流体时，可以避免电解液对金属集流体的腐蚀，且其具有资源丰富、易加工、低电阻率、对环境无危害、价格低廉等优势。 碳纤维布以其自身良好的柔软性、导电性以及电化学稳定性等优点，可用作柔性锂离子电池的集流体。碳纳米管是另一种形貌的碳集流体，相对于金属集流体而言，其明显的优势在于质量轻巧，且可以大幅度提高电池的能量密度。 2.6 复合集流体 除了单一集流体如铜集流体、铝集流体、镍集流体、不锈钢集流及碳集流体等受到广泛关注外，近年来，复合集流体也引起了学者们的研究兴趣，如导电树脂、覆碳铝箔及钛镍形状记忆合金等。 2.6.1 导电树脂集流体 聚乙烯(PE) 和酚醛树脂(PF) 集流体是将导电填料与高分子树脂基体复合而成。以PE 和PF作为基体材料，与导电填料( 石墨、碳黑) 均匀混合，制备了复合集流体，并研究它们的物理化学性能。石墨烯是一种由碳原子经sp2杂化而形成的独特的新型二维碳功能材料，具有超高的电导率、比表面积及机械强度等诸多优点，既可以替代石墨作为锂离子电池的负极活性物质，也可以作为集流体材料。 2.6.2 钛镍形状记忆合金集流体 钛镍形状记忆合金是由镍和钛组成的二元合金，随着外界温度或所受压力的改变可以在两种不同的晶相之间相互转化。钛镍形状记忆合金能通过改变自身相态来抑制活性 物质在充放电过程中的体积变化，提高电池的循环寿命。 2.6.3 覆碳铝箔集流体 覆碳/铝箔集流体即是将含碳复合层涂覆在铝箔表面的复合集流体。其中，含碳层是由碳纤维与经过分散剂处理后的导电碳黑颗粒而构成，能够与铝箔紧密结合，提高电极的导电性和耐蚀性。 集流体是锂离子电池中不可或缺的重要部件之一，具有承载电极活性物质与汇集输出电流的多重功能。由不同材料、不同生产工艺所制备的集流体的性能各有千秋，对锂离子电池的影响也各不相同。 参考：刘松等《锂离子电池集流体的研究进展》 来源:锂电联盟会长 (责任编辑：Snow) |
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