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鋰電池為何負(fù)極用銅箔 正極用鋁箔

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1068次  |  2019年07月24日  

對于鋰離子電池來說,通常使用的正極集流體是鋁箔,負(fù)極集流體是銅箔,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。隨著鋰電技術(shù)的不斷發(fā)展,無論是用于數(shù)碼產(chǎn)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。


(來源:微信公眾號“材料匠” ID:cailiaojiang123)


鋰離子電池的正極為什么用鋁箔,而負(fù)極用銅箔,原因有以下三點(diǎn):


一是銅鋁箔導(dǎo)電性好,質(zhì)地軟,價(jià)格便宜。我們都知道,鋰電池工作原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)裝置,那么在這個(gè)過程中,我們需要一種介質(zhì)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化的電能傳遞出來,這里就需要導(dǎo)電的材料。而在普通材料中,金屬材料是導(dǎo)電性最好的材料而在金屬材料里價(jià)格便宜導(dǎo)電性又好的就是銅箔和鋁箔。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(shí)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。最后就是考慮電池制備成本,相對來說,銅鋁箔價(jià)格相對便宜,世界上銅和鋁元素資源豐富。


二是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(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)。


三是鋰電池正負(fù)極電位決定正極用鋁箔,負(fù)極用銅箔,而非反過來。正極電位高,銅箔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(hù)作用。采用兩者做集流體都是因?yàn)閮烧邔?dǎo)電性好,質(zhì)地比較軟(可能這也會有利于粘結(jié)),也相對常見比較廉價(jià),同時(shí)兩者表面都能形成一層氧化物保護(hù)膜。


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LiAl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;Cu箔在3.75V時(shí),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(gè)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(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。


銅/鎳表面氧化層屬于半導(dǎo)體,電子導(dǎo)通,氧化層太厚,阻抗較大;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,通過隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子電導(dǎo),若氧化層較厚,鋁箔導(dǎo)電性級差,甚至絕緣。一般集流體在使用前最好要經(jīng)過表面清洗,一方面洗去油污,同時(shí)可除去厚氧化層。


正極電位高,鋁薄氧化層非常致密,可防止集流體氧化。而銅/鎳箔氧化層較疏松些,為防止其氧化,電位比較低較好,同時(shí)Li難與Cu/鎳在低電位下形成嵌鋰合金,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(yīng)。而鋁箔不能用作負(fù)極,低電位下會發(fā)生LiAl合金化。


集流體要求成分純。Al的成分不純會導(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。


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(yīng)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。


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(fù)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(dǎo)致負(fù)極兩面涂層接觸電阻不對稱,進(jìn)而使兩面負(fù)極容量不能均勻釋放;同時(shí),兩面不對稱也引發(fā)負(fù)極涂層粘結(jié)強(qiáng)度不一致,是的兩面負(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。


原標(biāo)題:鋰電池為何負(fù)極用銅箔,正極用鋁箔


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