知識分享,為什么鋰離子電池集流體負極要用銅箔,正極要用鋁箔?
發(fā)布時間:2021-01-26點擊:2295
鋰離子電池通常使用的正極集流體是鋁箔,負極集流體是銅箔。集流體的作用主要就是導電。這個跟我們電線的材料類似也是用的銅絲或者鋁絲。這是因為導體依導電系數(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,而世界上銅和鋁元素資源豐富,價格也相對便宜。
同時,在鋰電池中,我們主要有卷繞和疊片兩種加工方式。相對于卷繞來說,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不發(fā)生脆斷等問題,而金屬材料中,銅鋁箔也是質(zhì)地較軟的金屬。另一方面,銅鋁箔在空氣中也相對比較穩(wěn)定。鋁很容易跟空氣中的氧氣發(fā)生化學反應,在鋁表面層生成一層致密的氧化膜,阻止鋁的進一步反應,而這層很薄的氧化膜在電解液中對鋁也有一定的保護作用。銅在空氣中本身比較穩(wěn)定,在干燥的空氣中基本不反應。銅/鎳表面氧化層屬于半導體,電子導通;而鋁表面氧化層氧化鋁屬絕緣體,氧化層不能導電,但由于其很薄,通過隧道效應實現(xiàn)電子電導,若氧化層較厚,阻抗較大,導電性能差,甚至絕緣。一般集流體在使用前***好要經(jīng)過表面清洗,一方面洗去油污,同時可除去厚氧化層。
鋰電池正負極電位決定正極用鋁箔,負極用銅箔,而非反過來。正極電位高,銅/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,對內(nèi)部的鋁也有較好的保護作用。
另外一點就是鋁在低電位下與鋰會發(fā)生合金化反應(例如負極為鋰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不僅形成了化學式為LiAl的合金,還有可能形成了Li3Al2或Li4Al3。由于金屬Al與Li 反應的高活潑性,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極的集流體;而Cu在電池充放電過程中,只有很少的嵌鋰容量,并且保持了結(jié)構(gòu)和電化學性能的穩(wěn)定,可作為鋰離子電池負極的集流體;但是若銅/鎳表面大量氧化,在稍高電位下Li會與氧化銅/鎳發(fā)生嵌鋰發(fā)應,Cu箔在3.75V時,極化電流開始顯著增大,并且呈直線上升,氧化加劇,表明Cu在此電位下開始不穩(wěn)定;而鋁箔在整個極化電位區(qū)間,極化電流較小,并且恒定,沒有觀察到明顯腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,保持了電化學性能的穩(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的成分不純會導致表面膜不致密而發(fā)生點腐蝕,更甚由于表面膜的破壞導致生成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發(fā)的5um/4um都是有可能使用的。由于鋰電池對于使用的銅鋁箔純度要求高,材料的密度基本在同一水平,隨著開發(fā)厚度的降低,其面密度也相應降低,電池的重量自然也是越來越小,符合我們對于鋰電池的需求。
3.鋰電用銅鋁箔表面粗糙度要求
對于集流體,除了其厚度重量對鋰電池有影響外,集流體表面性能對電池的生產(chǎn)及性能也有較大的影響。尤其是負極集流體,由于制備技術(shù)的缺陷,市場上的銅箔以單面毛、雙面毛、雙面粗化品種為主。這種兩面結(jié)構(gòu)不對稱導致負極兩面涂層接觸電阻不對稱,進而使兩面負極容量不能均勻釋放;同時,兩面不對稱也引發(fā)負極涂層粘結(jié)強度不一致,使兩面負極涂層充放電循環(huán)壽命嚴重失衡,進而加快電池容量的衰減。
來源:網(wǎng)絡