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知識(shí)分享,為什么鋰離子電池集流體負(fù)極要用銅箔,正極要用鋁箔?

發(fā)布時(shí)間:2021-01-26點(diǎn)擊:2294

鋰離子電池通常使用的正極集流體是鋁箔,負(fù)極集流體是銅箔。集流體的作用主要就是導(dǎo)電。這個(gè)跟我們電線的材料類似也是用的絲或者鋁絲。這是因?yàn)閷?dǎo)體依導(dǎo)電系數(shù)可分為銀→銅→金→鋁→鎢→鎳→鐵。***好的肯定是銀,但是貴金屬元素畢竟稀有,而世界上和鋁元素資源豐富,價(jià)格也相對(duì)便宜。

同時(shí),在鋰電池中,我們主要有卷繞和疊片兩種加工方式。相對(duì)于卷繞來(lái)說(shuō),需要用于制備電池的極片具有一定的柔軟性,才能保證極片在卷繞時(shí)不發(fā)生脆斷等問(wèn)題,而金屬材料中,銅鋁箔也是質(zhì)地較軟的金屬。另一方面,鋁箔在空氣中也相對(duì)比較穩(wěn)定。鋁很容易跟空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在鋁表面層生成一層致密的氧化膜,阻止鋁的進(jìn)一步反應(yīng),而這層很薄的氧化膜在電解液中對(duì)鋁也有一定的保護(hù)作用。銅在空氣中本身比較穩(wěn)定,在干燥的空氣中基本不反應(yīng)。/鎳表面氧化層屬于半導(dǎo)體,電子導(dǎo)通;而鋁表面氧化層氧化鋁屬絕緣體,氧化層不能導(dǎo)電,但由于其很薄,通過(guò)隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子電導(dǎo),若氧化層較厚,阻抗較大,導(dǎo)電性能差,甚至絕緣。一般集流體在使用前***好要經(jīng)過(guò)表面清洗,一方面洗去油污,同時(shí)可除去厚氧化層。

鋰電池正負(fù)極電位決定正極用鋁箔,負(fù)極用銅箔,而非反過(guò)來(lái)。正極電位高,/鎳箔氧化層較疏松些,在高電位下很容易被氧化,而鋁的氧化電位高,且鋁箔表層有致密的氧化膜,對(duì)內(nèi)部的鋁也有較好的保護(hù)作用。

另外一點(diǎn)就是鋁在低電位下與鋰會(huì)發(fā)生合金化反應(yīng)(例如負(fù)極為鋰0 V或石墨0.2 V)因而被消耗。金屬鋁的晶格八面體空隙大小與Li 大小相近,極易與Li形成金屬間隙化合物,Li 和Al不僅形成了化學(xué)式為L(zhǎng)iAl的合金,還有可能形成了Li3Al2或Li4Al3。由于金屬Al與Li 反應(yīng)的高活潑性,使金屬Al消耗了大量的Li ,本身的結(jié)構(gòu)和形態(tài)也遭到破壞,故不能作為鋰離子電池負(fù)極的集流體;而Cu在電池充放電過(guò)程中,只有很少的嵌鋰容量,并且保持了結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的穩(wěn)定,可作為鋰離子電池負(fù)極的集流體;但是若/鎳表面大量氧化,在稍高電位下Li會(huì)與氧化銅/鎳發(fā)生嵌鋰發(fā)應(yīng),Cu箔在3.75V時(shí),極化電流開(kāi)始顯著增大,并且呈直線上升,氧化加劇,表明Cu在此電位下開(kāi)始不穩(wěn)定;而鋁箔在整個(gè)極化電位區(qū)間,極化電流較小,并且恒定,沒(méi)有觀察到明顯腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,保持了電化學(xué)性能的穩(wěn)定。由于在鋰離子電池正極電位區(qū)間, Al的嵌鋰容量較小,并且能夠保持電化學(xué)穩(wěn)定,適合作鋰離子電池的正極集流體。如果使用高電位負(fù)極(鈦酸鋰1.5 V)的話,集流體也是可以用鋁箔的。

1.鋰電用銅鋁箔純度要求

為了保證集流體在電池內(nèi)部穩(wěn)定性,二者純度都要求在98%以上。Al的成分不純會(huì)導(dǎo)致表面膜不致密而發(fā)生點(diǎn)腐蝕,更甚由于表面膜的破壞導(dǎo)致生成LiAl合金。

2.鋰電用銅鋁箔厚度要求

隨著近些年鋰電迅猛發(fā)展,鋰電池用集流體發(fā)展也很快。正極鋁箔由前幾年的16um降低到14um,再到12um,現(xiàn)在已經(jīng)不少電池生產(chǎn)廠家已經(jīng)量產(chǎn)使用10um的鋁箔,甚至用到8um。而負(fù)極用銅箔,由于本身銅箔柔韌性較好,其厚度由之前12um降低到10um,再到8um,到目前有很大部分電池廠家量產(chǎn)用6um,以及部分廠家正在開(kāi)發(fā)的5um/4um都是有可能使用的。由于鋰電池對(duì)于使用的鋁箔純度要求高,材料的密度基本在同一水平,隨著開(kāi)發(fā)厚度的降低,其面密度也相應(yīng)降低,電池的重量自然也是越來(lái)越小,符合我們對(duì)于鋰電池的需求。

3.鋰電用鋁箔表面粗糙度要求

對(duì)于集流體,除了其厚度重量對(duì)鋰電池有影響外,集流體表面性能對(duì)電池的生產(chǎn)及性能也有較大的影響。尤其是負(fù)極集流體,由于制備技術(shù)的缺陷,市場(chǎng)上的銅箔以單面毛、雙面毛、雙面粗化品種為主。這種兩面結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致負(fù)極兩面涂層接觸電阻不對(duì)稱,進(jìn)而使兩面負(fù)極容量不能均勻釋放;同時(shí),兩面不對(duì)稱也引發(fā)負(fù)極涂層粘結(jié)強(qiáng)度不一致,使兩面負(fù)極涂層充放電循環(huán)壽命嚴(yán)重失衡,進(jìn)而加快電池容量的衰減。

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