Material del colector de corriente de la batería de litio: lámina de cobre y lámina de aluminio

En el colector de corriente, lo más importante es reducir el grosor y el peso del colector de corriente, lo que intuitivamente reduce el volumen y el peso de la batería. ¿Por qué utilizar papel de aluminio para el electrodo catódico de las baterías de iones de litio y papel de cobre para el electrodo anódico? Hay tres razones:

Por qué elegir lámina de cobre y lámina de aluminio para el electrodo colector de corriente

En primer lugar, la lámina de cobre y aluminio tiene buena conductividad, textura suave y bajo precio. Todos sabemos que el principio de funcionamiento de las baterías de litio es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química en energía eléctrica. En este proceso, necesitamos un medio para transferir la energía eléctrica convertida a partir de la energía química, y aquí se necesitan materiales conductores.

Entre los materiales ordinarios, los materiales metálicos son los más conductores, y entre los materiales metálicos, la lámina de cobre y la lámina de aluminio son materiales baratos y buenos conductores. Al mismo tiempo, en la batería de litio, tenemos principalmente dos métodos de procesamiento: bobinado y laminación.

En comparación con bobinados como Batería 21700La pieza de polo utilizada para preparar la batería debe tener un cierto grado de flexibilidad para garantizar que la pieza de polo no tenga problemas como la fractura frágil durante el bobinado. Entre los materiales metálicos, el cobre y el papel de aluminio también son metales blandos. Por último, hay que tener en cuenta el coste de la preparación de la batería. En términos relativos, el precio del cobre y el papel de aluminio es relativamente barato, y hay abundantes recursos de elementos de cobre y aluminio en el mundo.

En segundo lugar, las láminas de cobre y aluminio son relativamente estables en el aire. El aluminio reacciona químicamente con facilidad con el oxígeno del aire, formando una densa película de óxido en la superficie del aluminio para impedir que éste siga reaccionando, y esta finísima película de óxido también tiene un cierto efecto protector sobre el aluminio en el electrolito. El cobre en sí es relativamente estable en el aire y básicamente no reacciona en el aire seco.

La tercera es que el potencial de los electrodos catódico y anódico de la batería de litio determina el uso de papel de aluminio para el electrodo catódico y de papel de cobre para el electrodo anódico, y no al revés. El potencial del electrodo catódico es alto, y la lámina de cobre se oxida fácilmente a alto potencial.

El potencial de oxidación del aluminio es alto, y la superficie del papel de aluminio tiene una densa película de óxido, que también tiene un buen efecto protector sobre el aluminio interno. Ambos se utilizan como colectores de corriente porque tienen buena conductividad eléctrica, textura blanda (quizá esto también favorezca la adhesión) y son relativamente comunes y baratos. Al mismo tiempo, se puede formar una capa de película protectora de óxido en la superficie de ambos.

¿Por qué son diferentes los colectores de corriente catódica y anódica?

1. El tamaño de los huecos octaédricos de la red del aluminio metálico es similar al del Li, y es fácil formar compuestos intersticiales metálicos con Li. El Li y el Al no sólo forman una aleación con la fórmula química de LiAl, sino que también pueden formar Li3Al2 o Li4Al3. Debido a la alta actividad de la reacción entre el metal Al y el Li, el metal Al consume una gran cantidad de Li, y su estructura y morfología también resultan dañadas, por lo que no puede utilizarse como colector de corriente del electrodo anódico de las baterías de iones de litio;

En el proceso de carga y descarga de la batería, el Cu tiene sólo una pequeña cantidad de capacidad de intercalación de litio, y mantiene la estabilidad de la estructura y el rendimiento electroquímico, y se puede utilizar como el colector de corriente del electrodo de ánodo de la batería de iones de litio; Cuando la lámina de Cu está a 3,75V, la corriente de polarización comienza a aumentar significativamente, y se eleva en línea recta, y la oxidación se intensifica, lo que indica que el Cu comienza a ser inestable a este potencial;

En todo el rango de potencial de polarización de la lámina de aluminio, la corriente de polarización es pequeña y constante, no se observa ningún fenómeno de corrosión evidente y el rendimiento electroquímico es estable. Debido a la pequeña capacidad de intercalación de litio de Al en el rango de potencial del electrodo catódico de las baterías de iones de litio, y puede mantener la estabilidad electroquímica, es adecuado para el colector de corriente catódica de las baterías de iones de litio.

2. La capa de óxido en la superficie de cobre/níquel es un semiconductor, y los electrones son conductores. La capa de óxido es demasiado gruesa y la impedancia es grande; mientras que la capa de óxido en la superficie del aluminio es un aislante de óxido de aluminio, y la capa de óxido no puede conducir la electricidad. Conductividad, si la capa de óxido es gruesa, la conductividad del papel de aluminio es pobre, o incluso aislante. En general, el colector de corriente debe limpiarse en la superficie antes de su uso. Por un lado, puede lavar las manchas de aceite, y al mismo tiempo, puede eliminar la gruesa capa de óxido.

3. El potencial del electrodo catódico es alto, y la fina capa de óxido de aluminio es muy densa, lo que puede impedir que el colector de corriente se oxide. La capa de óxido de la lámina de cobre/níquel es más suelta, para evitar su oxidación, es mejor tener un potencial más bajo. Al mismo tiempo, es difícil que el Li forme una aleación de intercalación de litio con Cu/níquel a un potencial bajo. Sin embargo, si la superficie de cobre/níquel está muy oxidada, el Li reaccionará con el óxido de cobre/níquel a un potencial ligeramente superior. Aunque la lámina de aluminio no puede utilizarse como electrodo anódico, la aleación LiAl se produce a bajo potencial.

4. El colector de corriente requiere ingredientes puros. La composición impura del Al provocará la aparición de corrosión por picaduras debido a que la película superficial no es densa, e incluso la formación de aleación LiAl debido al daño de la película superficial.

Requisitos de espesor de las láminas de cobre y aluminio

Con el rápido desarrollo de las baterías de litio en los últimos años, el colector de corriente para baterías de litio también se ha desarrollado rápidamente. La lámina de aluminio del cátodo se ha reducido de 16um en años anteriores a 14um, y después a 12um. En la actualidad, muchos fabricantes de baterías, incluidos 10 principales fabricantes de baterías de ión litio que utiliza 10um, e incluso utiliza papel de aluminio de 8um.

En cuanto a la lámina de cobre utilizada para el electrodo anódico, debido a su buena flexibilidad, el grosor de la lámina de cobre se reduce de 12um a 10um, y después a 8um. Hasta ahora, la mayoría de 10 principales empresas mundiales de láminas de cobre para baterías de litio utilizan 6um para la producción en masa, y algunos fabricantes están desarrollando 5um/4um.

Dado que la batería de litio tiene elevados requisitos en cuanto a la pureza de la lámina de cobre y aluminio utilizada, la densidad del material es básicamente el mismo nivel, a medida que disminuye el grosor del desarrollo, la densidad areal también disminuye en consecuencia, y el peso de la batería es naturalmente cada vez menor, lo que está en consonancia con nuestras necesidades de baterías de litio.

Requisitos de rugosidad superficial de las láminas de cobre y aluminio

En el caso del colector de corriente, además de la influencia de su grosor y peso en la batería de litio, las propiedades superficiales del colector de corriente también tienen una gran influencia en la producción y el rendimiento de la batería. Especialmente para el colector de corriente del ánodo, debido a los defectos de la tecnología de preparación, las láminas de cobre del mercado son principalmente lana de una cara, lana de dos caras y variedades rugosas de dos caras.

Esta asimetría de la estructura de dos lados da lugar a una resistencia de contacto asimétrica de los revestimientos de ambos lados del electrodo anódico, lo que a su vez hace que la capacidad del electrodo anódico de ambos lados no se libere de manera uniforme; Al mismo tiempo, la asimetría de los dos lados también da lugar a una resistencia de unión inconsistente del revestimiento del electrodo anódico, y la vida útil del ciclo de carga-descarga del revestimiento del electrodo anódico de ambos lados está seriamente desequilibrada, acelerando así la atenuación de la capacidad de la batería.