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鋰電池為何負極用銅箔,正極用鋁箔

文章(zhang)來源:PNAS普納斯能源官(guan)網 人氣:2643 發表時間:2019-06-20 18:51:43
對于鋰離子電池來說,通常使用的正極集流體是鋁箔,負極集流體是銅箔,為了保證集流體在電池內部穩定性,二者純度都要求在98%以上。隨著鋰電技術的不斷發展,無論是用于數碼產品的鋰電池還是電動汽車的電池,我們都希望電池的能量密度盡量高,電池的重量越來越輕,而在集流體這塊最主要就是降低集流體的厚度和重量,從直觀上來減少電池的體積和重量。鋰離子電池的正極為什么用鋁箔,而負極用銅箔,原因有以下三點:
此文關鍵字:

對于鋰(li)離子電(dian)池(chi)來說,通(tong)常使用(yong)(yong)(yong)的(de)正極集(ji)流體(ti)是鋁箔(bo),負(fu)極集(ji)流體(ti)是銅箔(bo),為(wei)了保證集(ji)流體(ti)在(zai)電(dian)池(chi)內(nei)部穩定性,二者純度都(dou)要求在(zai)98%以上。隨著鋰(li)電(dian)技術(shu)的(de)不斷發(fa)展,無論是用(yong)(yong)(yong)于數碼產品的(de)鋰(li)電(dian)池(chi)還是電(dian)動汽(qi)車的(de)電(dian)池(chi),我(wo)們都(dou)希望電(dian)池(chi)的(de)能(neng)量密度盡量高,電(dian)池(chi)的(de)重(zhong)量越來越輕,而在(zai)集(ji)流體(ti)這塊最主要就是降低集(ji)流體(ti)的(de)厚度和(he)重(zhong)量,從直觀上來減少電(dian)池(chi)的(de)體(ti)積(ji)和(he)重(zhong)量。鋰(li)離子電(dian)池(chi)的(de)正極為(wei)什么用(yong)(yong)(yong)鋁箔(bo),而負(fu)極用(yong)(yong)(yong)銅箔(bo),原因有以下(xia)三點:

一(yi)是銅鋁箔導電性好,質地軟,價格便宜。我們都知道,鋰(li)(li)電(dian)池工作原理是將化學(xue)能轉化為電(dian)能的(de)(de)一種電(dian)化學(xue)裝(zhuang)置,那么在(zai)這個過程中(zhong),我們需(xu)要(yao)一種介質(zhi)把化學(xue)能轉化的(de)(de)電(dian)能傳遞(di)出來(lai),這里就(jiu)需(xu)要(yao)導電(dian)的(de)(de)材(cai)料(liao)。而在(zai)普通材(cai)料(liao)中(zhong),金屬(shu)材(cai)料(liao)是導電(dian)性最好的(de)(de)材(cai)料(liao)而在(zai)金屬(shu)材(cai)料(liao)里價格便(bian)宜導電(dian)性又好的(de)(de)就(jiu)是銅(tong)箔和(he)鋁箔。同時(shi),在(zai)鋰(li)(li)電(dian)池中(zhong),我們主要(yao)有卷(juan)繞和(he)疊片(pian)兩種加工方式。相對于(yu)卷(juan)繞來(lai)說(shuo),需(xu)要(yao)用(yong)于(yu)制備(bei)(bei)電(dian)池的(de)(de)極片(pian)具有一定(ding)的(de)(de)柔軟性,才(cai)能保證(zheng)極片(pian)在(zai)卷(juan)繞時(shi)不發生(sheng)脆斷等問(wen)題,而金屬(shu)材(cai)料(liao)中(zhong),銅(tong)鋁箔也是質(zhi)地較軟的(de)(de)金屬(shu)。最后就(jiu)是考慮電(dian)池制備(bei)(bei)成本,相對來(lai)說(shuo),銅(tong)鋁箔價格相對便(bian)宜,世界上銅(tong)和(he)鋁元(yuan)素資源(yuan)豐(feng)富。

二是(shi)銅(tong)鋁箔在空氣(qi)中也相對比較穩定。鋁很容易跟空氣(qi)中的(de)氧氣(qi)發生化學反(fan)應,在鋁表面層生成一層致密(mi)的(de)氧化膜(mo),阻(zu)止(zhi)鋁的(de)進一步(bu)反(fan)應,而(er)這層很薄的(de)氧化膜(mo)在電解液中對(dui)鋁也有(you)一定(ding)的(de)保護作(zuo)用(yong)。銅在空氣(qi)中本身比較穩定(ding),在干燥(zao)的(de)空氣(qi)中基本不反(fan)應。

三是鋰電池(chi)正負極電位決(jue)定(ding)正極用(yong)(yong)鋁箔(bo),負極用(yong)(yong)銅箔(bo),而(er)非(fei)反過(guo)來(lai)。正極電(dian)(dian)位(wei)(wei)高(gao),銅(tong)箔在高(gao)電(dian)(dian)位(wei)(wei)下(xia)很容易(yi)被(bei)氧(yang)化,而鋁(lv)的(de)(de)氧(yang)化電(dian)(dian)位(wei)(wei)高(gao),且(qie)鋁(lv)箔表層有(you)致(zhi)密的(de)(de)氧(yang)化膜(mo),對內部的(de)(de)鋁(lv)也(ye)(ye)有(you)較好的(de)(de)保護(hu)作用(yong)。采用(yong)兩(liang)(liang)者做集流體都是(shi)因為兩(liang)(liang)者導(dao)電(dian)(dian)性好,質地比較軟(可能這也(ye)(ye)會有(you)利(li)于粘結),也(ye)(ye)相對常見比較廉價,同時兩(liang)(liang)者表面都能形成一層氧(yang)化物保護(hu)膜(mo)。

一、金屬鋁(lv)的晶(jing)格八面體空隙(xi)大小與Li 大小相近,極易與Li形成金屬間(jian)隙(xi)化合(he)物,Li 和Al不僅形成了(le)化學式為LiAl的合(he)金,還有可能形成了(le)Li3Al2或Li4Al3。由(you)(you)于(yu)(yu)金(jin)屬Al與Li 反(fan)應(ying)的(de)(de)高活潑性(xing),使金(jin)屬Al消耗了(le)大量的(de)(de)Li ,本身(shen)的(de)(de)結構和形態也遭到(dao)破壞,故不能作為鋰(li)(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)負(fu)極(ji)(ji)的(de)(de)集(ji)(ji)流體;而Cu在電(dian)(dian)(dian)池(chi)充放電(dian)(dian)(dian)過程中,只有很少的(de)(de)嵌鋰(li)(li)容量,并且(qie)保(bao)持(chi)了(le)結構和電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學性(xing)能的(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding),可(ke)作為鋰(li)(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)負(fu)極(ji)(ji)的(de)(de)集(ji)(ji)流體;Cu箔在3.75V時,極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)(dian)流開始顯著增大,并且(qie)呈直線(xian)上升,氧(yang)化(hua)(hua)加劇,表(biao)明Cu在此電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)下開始不穩(wen)定(ding)(ding);而鋁箔在整(zheng)個極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)區(qu)間,極(ji)(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)(dian)流較(jiao)小,并且(qie)恒定(ding)(ding),沒有觀察(cha)到(dao)明顯腐(fu)蝕現象(xiang)的(de)(de)發生(sheng),保(bao)持(chi)了(le)電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學性(xing)能的(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)。由(you)(you)于(yu)(yu)在鋰(li)(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)正極(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)區(qu)間, Al的(de)(de)嵌鋰(li)(li)容量較(jiao)小,并且(qie)能夠保(bao)持(chi)電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學穩(wen)定(ding)(ding),適合作鋰(li)(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)正極(ji)(ji)集(ji)(ji)流體。

二、銅/鎳表面氧(yang)化(hua)層屬于半導體,電子導通,氧(yang)化(hua)層太厚,阻抗較(jiao)大;而鋁表面(mian)氧化(hua)(hua)層(ceng)氧化(hua)(hua)鋁屬絕緣體(ti)(ti),氧化(hua)(hua)層(ceng)不能導電,但由于其(qi)很薄(bo),通過(guo)隧(sui)道(dao)效(xiao)應實現電子電導,若氧化(hua)(hua)層(ceng)較厚,鋁箔導電性(xing)級差,甚至絕緣。一般(ban)集流體(ti)(ti)在使用前最好要經過(guo)表面(mian)清洗(xi),一方面(mian)洗(xi)去油污,同時可除去厚氧化(hua)(hua)層(ceng)。 

三、正(zheng)極電位高,鋁薄氧(yang)化(hua)層(ceng)非常致密,可(ke)防止集流體氧(yang)化(hua)。而銅(tong)/鎳箔氧化(hua)層較(jiao)疏松些,為防止其氧化(hua),電位(wei)比較(jiao)低較(jiao)好,同時Li難與Cu/鎳在低電位(wei)下形成嵌鋰合金,但是若銅(tong)/鎳表面大量氧化(hua),在稍高電位(wei)下Li會(hui)與氧化(hua)銅(tong)/鎳發生嵌鋰發應。而鋁箔不能(neng)用作負極,低電位(wei)下會(hui)發生LiAl合金化(hua)。 

鋰電用(yong)銅鋁(lv)箔厚度要(yao)求(qiu)

隨(sui)著(zhu)近(jin)些年鋰(li)電(dian)(dian)迅(xun)猛(meng)發(fa)(fa)展,鋰(li)電(dian)(dian)池用(yong)(yong)(yong)集流體發(fa)(fa)展也很(hen)快(kuai)。正(zheng)極(ji)鋁箔(bo)由(you)前(qian)幾年的(de)16um降(jiang)(jiang)低到(dao)(dao)14um,再到(dao)(dao)12um,現在已(yi)經不少電(dian)(dian)池生產廠家(jia)已(yi)經量(liang)產使(shi)用(yong)(yong)(yong)10um的(de)鋁箔(bo),甚至用(yong)(yong)(yong)到(dao)(dao)8um。而負極(ji)用(yong)(yong)(yong)銅(tong)(tong)箔(bo),由(you)于(yu)本(ben)身銅(tong)(tong)箔(bo)柔韌性較好,其厚度(du)由(you)之前(qian)12um降(jiang)(jiang)低到(dao)(dao)10um,再到(dao)(dao)8um,到(dao)(dao)目前(qian)有(you)很(hen)大部分電(dian)(dian)池廠家(jia)量(liang)產用(yong)(yong)(yong)6um,以及部分廠家(jia)正(zheng)在開(kai)發(fa)(fa)的(de)5um/4um都是(shi)有(you)可能使(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)。由(you)于(yu)鋰(li)電(dian)(dian)池對于(yu)使(shi)用(yong)(yong)(yong)的(de)銅(tong)(tong)鋁箔(bo)純度(du)要(yao)求高(gao),材料的(de)密(mi)度(du)基本(ben)在同一水平,隨(sui)著(zhu)開(kai)發(fa)(fa)厚度(du)的(de)降(jiang)(jiang)低,其面密(mi)度(du)也相應(ying)降(jiang)(jiang)低,電(dian)(dian)池的(de)重量(liang)自然也是(shi)越(yue)(yue)來(lai)越(yue)(yue)小,符合(he)我們對于(yu)鋰(li)電(dian)(dian)池的(de)需求。

鋰電用銅鋁(lv)箔表面粗糙度要(yao)求(qiu):

對(dui)于集流(liu)(liu)體(ti),除了(le)其(qi)厚度(du)重(zhong)量(liang)對(dui)鋰電(dian)(dian)池有影(ying)響(xiang)外,集流(liu)(liu)體(ti)表面(mian)(mian)(mian)性能對(dui)電(dian)(dian)池的(de)生產及性能也有較(jiao)大的(de)影(ying)響(xiang)。尤其(qi)是負(fu)極(ji)(ji)集流(liu)(liu)體(ti),由(you)于制備(bei)技(ji)術的(de)缺陷,市場上的(de)銅箔以單面(mian)(mian)(mian)毛、雙面(mian)(mian)(mian)毛、雙面(mian)(mian)(mian)粗(cu)化品種為主。這種兩面(mian)(mian)(mian)結(jie)構不對(dui)稱導致負(fu)極(ji)(ji)兩面(mian)(mian)(mian)涂(tu)層(ceng)接(jie)觸電(dian)(dian)阻不對(dui)稱,進而(er)使兩面(mian)(mian)(mian)負(fu)極(ji)(ji)容量(liang)不能均勻釋(shi)放;同時,兩面(mian)(mian)(mian)不對(dui)稱也引發(fa)負(fu)極(ji)(ji)涂(tu)層(ceng)粘(zhan)結(jie)強度(du)不一致,是的(de)兩面(mian)(mian)(mian)負(fu)極(ji)(ji)涂(tu)層(ceng)充放電(dian)(dian)循環壽命嚴重(zhong)失衡,進而(er)加快電(dian)(dian)池容量(liang)的(de)衰減。


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