De stroomafnemer is een van de onmisbare componenten in lithium-ionbatterijen. Het kan niet alleen het actieve materiaal dragen, maar ook de stroom verzamelen en uitvoeren die wordt gegenereerd door het actieve materiaal van de elektrode, wat bevorderlijk is voor het verminderen van de interne weerstand van lithium-ionbatterijen, het verbeteren van de coulombische efficiëntie, cyclusstabiliteit en snelheidsprestaties van de batterij.
Stroomafnemer van lithium-ionbatterij
In principe moet een ideale stroomafnemer van een lithium-ionbatterij aan de volgende voorwaarden voldoen: (1) hoge geleidbaarheid; (2) Goede chemische en elektrochemische stabiliteit; (3) Hoge mechanische sterkte; (4) Goede compatibiliteit en bindingssterkte met actieve elektrodematerialen; (5) Goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar; (6) Lichtgewicht.
In praktische toepassingen hebben verschillende stroomcollectormaterialen echter nog steeds verschillende problemen, zodat ze niet volledig kunnen voldoen aan de hierboven genoemde multi-schaalvereisten. Koper is gevoelig voor oxidatie bij hogere spanningen en is geschikt voor gebruik als stroomcollector voor negatieve elektrodes; Aluminium heeft als stroomcollector voor de negatieve elektrode een ernstiger corrosieprobleem en is geschikt voor gebruik als stroomcollector voor de positieve elektrode. Momenteel omvatten materialen die kunnen worden gebruikt als stroomcollectoren voor lithium-ionbatterijen metalen geleidende materialen zoals koper, aluminium, nikkel en roestvrij staal, halfgeleidermaterialen zoals koolstof en composietmaterialen.
1.1 Koperen stroomcollector
Koper is een uitstekende metaalgeleider met een geleidbaarheid die na zilver de tweede is, en heeft vele voordelen, zoals overvloedige hulpbronnen, lage kosten en gemakkelijke beschikbaarheid, en goede ductiliteit. Aangezien koper echter gevoelig is voor oxidatie bij hogere spanningen, wordt het vaak gebruikt als stroomcollector voor actieve materialen met negatieve elektrodes, zoals grafiet-, silicium-, tin- en kobalt-tinlegeringen. Veel voorkomende kopercollectoren zijn onder meer koperfolie, schuimkoper, kopergaas en driedimensionale nano-koperarraycollector.
1.1.1 Stroomafnemer van koperfolie
Volgens het productieproces van koperfolie kan het verder worden onderverdeeld in gewalste koperfolie en elektrolytische koperfolie. Vergeleken met elektrolytische koperfolie heeft gewalste koperfolie een hogere geleidbaarheid en een beter verlengingseffect. Lithiumionbatterijen met lage krommingseisen kunnen elektrolytische koperfolie kiezen als stroomcollector voor de negatieve elektrode. Onderzoek heeft aangetoond dat het vergroten van de ruwheid van het koperfolieoppervlak gunstig is voor het verbeteren van de hechtsterkte tussen de stroomcollector en het actieve materiaal, het verminderen van de contactweerstand tussen het actieve materiaal en de stroomcollector, en dienovereenkomstig het verbeteren van de snelheidsontladingsprestaties en -cyclus stabiliteit van de batterij.
1.1.2 schuimkopercollector
Schuimkoper is een soort driedimensionaal netwerkmateriaal vergelijkbaar met spons, dat vele voordelen heeft, zoals een laag gewicht, hoge sterkte en taaiheid, en een groot specifiek oppervlak. Hoewel de actieve materialen van silicium en tin met negatieve elektrodes een hoge theoretische specifieke capaciteit hebben en worden beschouwd als een van de veelbelovende actieve materialen met negatieve elektrodes voor lithium-ionbatterijen, hebben ze ook nadelen zoals grote volumeveranderingen en verpulvering tijdens cyclisch opladen/ontladen, waardoor de prestaties van de batterij ernstig beïnvloeden. Uit het onderzoek blijkt dat de schuimkopercollector de volumeverandering van de actieve materialen silicium en tinanode tijdens het laad- en ontlaadproces kan remmen, het verpulveringsfenomeen kan vertragen en zo de batterijprestaties kan verbeteren.
1.2 Aluminium stroomafnemer
Hoewel de geleidbaarheid van aluminiummetaal lager is dan die van koper, is de kwaliteit van aluminiumdraad slechts de helft van die van koperdraad bij het transporteren van dezelfde hoeveelheid elektriciteit. Het gebruik van aluminium stroomcollectoren kan ongetwijfeld de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen helpen verbeteren. Bovendien is aluminium vergeleken met koper goedkoper in prijs. Tijdens het laad-/ontlaadproces van lithium-ionbatterijen wordt een dichte oxidefilm gevormd op het oppervlak van de stroomcollector van aluminiumfolie, wat de corrosieweerstand van de aluminiumfolie verbetert en vaak wordt gebruikt als stroomcollector voor de positieve elektrode in lithium-ionbatterijen.
Net als stroomcollectoren van koperfolie kan oppervlaktebehandeling ook de oppervlakte-eigenschappen van aluminiumfolie verbeteren. Na het etsen met gelijkstroom zal zich op het oppervlak van de aluminiumfolie een honingraatstructuur vormen, die steviger is gebonden aan het actieve materiaal van de positieve elektrode en de elektrochemische prestaties van lithium-ionbatterijen verbetert. In feite lijden aluminium stroomcollectoren echter vaak aan ernstige corrosie als gevolg van de vernietiging van oppervlaktepassiveringsfilms, wat leidt tot een afname van de prestaties van lithium-ionbatterijen. Om de corrosieweerstand van geëtste aluminiumfolie te verbeteren, is het daarom noodzakelijk om het oppervlak ervan te optimaliseren en een stabielere passivatiefilm te vormen.
1.3 Nikkelstroomcollector
Relatief gesproken is nikkel een basismetaal met een relatief lage prijs, goede geleidbaarheid en stabiliteit in zure en alkalische oplossingen. Daarom kan nikkel worden gebruikt als zowel een positieve elektrodestroomcollector als een negatieve elektrodestroomcollector. Er zijn zowel positieve elektrode-actieve materialen zoals lithiumijzerfosfaat als negatieve elektrode-actieve materialen zoals nikkeloxide, zwavel en koolstof-siliciumcomposietmaterialen die daarbij passen.
De vorm van de nikkelcollector omvat meestal schuimnikkel en nikkelfolie. Doordat schuimnikkel kanalen en een groot contactoppervlak met werkzame stof heeft ontwikkeld, wordt de contactweerstand tussen werkzame stof en collector verminderd. Bij gebruik van nikkelfolie als stroomcollector voor de elektrode, is het actieve materiaal gevoelig voor loslaten naarmate het aantal laad-/ontlaadcycli toeneemt, wat de prestaties van de batterij beïnvloedt. Op dezelfde manier is het oppervlaktevoorbehandelingsproces ook toepasbaar op stroomcollectoren van nikkelfolie. Na het etsen van het oppervlak van de stroomcollector uit nikkelfolie wordt de hechtsterkte tussen de actieve stof en de stroomcollector aanzienlijk verbeterd.
Nikkeloxide heeft de voordelen van een stabiele structuur, een lage prijs en een hoge theoretische specifieke capaciteit, waardoor het een veelgebruikt actief materiaal met negatieve elektrode is voor lithium-ionbatterijen. Op basis hiervan werd in situ een laag nikkeloxide op het oppervlak van schuimnikkel gegroeid door middel van vaste fase-oxidatiemethode, en werd een nikkeloxideanode met schuimnikkel als collector vervaardigd. Vergeleken met de negatieve elektrode van nikkelfolie/nikkeloxide nam de specifieke capaciteit van de eerste ontlading van schuimnikkel/nikkeloxide negatieve elektrode aanzienlijk toe. De reden is dat driedimensionaal gestructureerde stroomcollectoren, vergeleken met tweedimensionale stroomcollectoren, grensvlakpolarisatieverschijnselen verminderen en de laad-/ontlaadcyclusstabiliteit van batterijen verbeteren.
Lithiumijzerfosfaat wordt beschouwd als een ideaal positief actief materiaal voor krachtige lithium-ionbatterijen vanwege de goede veiligheid en de brede bron van grondstoffen. Door het op het oppervlak van de schuimnikkelcollector te coaten, kan het contactoppervlak tussen LiFePO4 en schuimnikkel worden vergroot, de stroomdichtheid van de grensvlakreactie worden verminderd en zo de snelheidsontladingsprestaties van LiFePO4 worden verbeterd.
1.4 Roestvrijstalen stroomafnemer
Roestvast staal verwijst naar gelegeerd staal dat elementen bevat zoals nikkel, molybdeen, titanium, niobium, koper en ijzer. Het heeft een goede geleidbaarheid en stabiliteit en is bestand tegen chemische corrosie door zwakke corrosieve media zoals lucht, stoom en water, evenals sterk corrosieve media zoals zuur, alkali en zout. Het roestvrijstalen oppervlak is ook gevoelig voor de vorming van een passivatiefilm, die het oppervlak tegen corrosie kan beschermen. Tegelijkertijd kan roestvrij staal dunner worden verwerkt dan koper, met voordelen zoals lage kosten, een eenvoudig proces en grootschalige productie. Roestvrij staal kan worden gebruikt als positieve of negatieve stroomcollector, en veel voorkomende typen roestvrijstalen stroomcollectoren zijn onder meer roestvrijstalen gaas en poreus roestvrij staal.
1.4.1 Roestvrijstalen gaascollectorvloeistof
De textuur van roestvrijstalen gaas is dicht. Bij gebruik als stroomcollector wordt het oppervlak omwikkeld met actieve elektrodematerialen en komt het niet in direct contact met de elektrolyt, waardoor het minder gevoelig is voor nevenreacties en de cyclusprestaties van de batterij worden verbeterd.
1.4.2 Poreuze roestvrijstalen stroomafnemer
Een eenvoudige en effectieve methode om actieve materialen volledig te benutten en de ontladingsspecifieke capaciteit van elektroden te verbeteren, is het gebruik van poreuze stroomcollectoren.
1.5 Koolstofstroomcollector
Bij gebruik van koolstofmaterialen als stroomcollectoren voor positieve of negatieve elektrodes kan het de corrosie van elektrolyt op metalen stroomcollectoren vermijden, en het heeft de voordelen van overvloedige hulpbronnen, eenvoudige verwerking, lage weerstand, geen schade aan het milieu en een lage prijs.
Koolstofvezeldoek kan worden gebruikt als stroomafnemer voor flexibele lithium-ionbatterijen vanwege de uitstekende flexibiliteit, geleidbaarheid en elektrochemische stabiliteit. Koolstofnanobuisjes zijn een andere vorm van koolstofstroomcollector, die duidelijke voordelen hebben ten opzichte van metalen stroomcollectoren in termen van lichtgewicht en de energiedichtheid van batterijen aanzienlijk kunnen verbeteren.
1.6 Samengestelde stroomcollector
Naast enkele collectoren zoals kopercollectoren, aluminiumcollectoren, nikkelcollectoren, roestvrijstalen collectoren en koolstofcollectoren, hebben composietcollectoren de afgelopen jaren ook de onderzoeksinteresse van wetenschappers getrokken, zoals geleidende harsen, met koolstof gecoate aluminiumfolies en titanium. nikkel-vormgeheugenlegeringen.
1.6.1 Geleidende harsstroomcollector
Stroomcollectoren van polyethyleen (PE) en fenolhars (PF) zijn samengesteld uit geleidende vulstoffen en een polymeerharsmatrix. Een samengestelde stroomcollector werd vervaardigd door PE en PF als matrixmaterialen uniform te mengen met geleidende vulstoffen (grafiet, roet), en hun fysische en chemische eigenschappen werden bestudeerd. Grafeen is een uniek en nieuw tweedimensionaal koolstoffunctioneel materiaal dat wordt gevormd door sp2-hybridisatie van koolstofatomen. Het heeft vele voordelen, zoals ultrahoge geleidbaarheid, specifiek oppervlak en mechanische sterkte. Het kan grafiet vervangen als het actieve materiaal van de negatieve elektrode van lithium-ionbatterijen of als stroomcollectormateriaal.
1.6.2 Stroomcollector van titanium-nikkel-vormgeheugenlegering
Titanium-nikkel-vormgeheugenlegering is een binaire legering bestaande uit nikkel en titanium, die kan transformeren tussen twee verschillende kristalfasen met veranderingen in de externe temperatuur of druk. Titanium-nikkel-vormgeheugenlegering kan de volumeverandering van actieve stoffen tijdens het opladen en ontladen onderdrukken door de eigen fasetoestand te veranderen, waardoor de levensduur van batterijen wordt verbeterd.
1.6.3 Stroomcollector van aluminiumfolie met koolstofcoating
Met koolstof gecoate/aluminiumfolie-stroomcollector verwijst naar een samengestelde stroomcollector waarin een koolstofhoudende composietlaag is gecoat op het oppervlak van een aluminiumfolie. Onder hen bestaat de koolstofhoudende laag uit koolstofvezels en geleidende roetdeeltjes behandeld met dispergeermiddelen, die nauw kunnen worden gecombineerd met aluminiumfolie om de geleidbaarheid en corrosieweerstand van de elektrode te verbeteren.
De stroomcollector is een van de onmisbare en belangrijke componenten in lithium-ionbatterijen, met meerdere functies: het transporteren van actieve elektrodematerialen en het verzamelen van uitgangsstroom. De prestaties van stroomafnemers vervaardigd uit verschillende materialen en productieprocessen variëren, en hun impact op lithium-ionbatterijen is ook verschillend.