Matériau du collecteur de courant de la pile au lithium - feuille de cuivre et feuille d'aluminium

Dans le collecteur de courant, le plus important est de réduire l'épaisseur et le poids du collecteur de courant, ce qui, intuitivement, réduit le volume et le poids de la batterie. Pourquoi utiliser une feuille d'aluminium pour l'électrode de cathode des batteries lithium-ion et une feuille de cuivre pour l'électrode d'anode ? Il y a trois raisons à cela :

Pourquoi choisir la feuille de cuivre et la feuille d'aluminium pour le collecteur de courant d'électrode ?

Tout d'abord, les feuilles de cuivre et d'aluminium ont une bonne conductivité, une texture douce et un prix peu élevé. Nous savons tous que le principe de fonctionnement des piles au lithium est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique. Dans ce processus, nous avons besoin d'un support pour transférer l'énergie électrique convertie à partir de l'énergie chimique, et les matériaux conducteurs sont nécessaires ici.

Parmi les matériaux ordinaires, les matériaux métalliques sont les plus conducteurs, et parmi les matériaux métalliques, la feuille de cuivre et la feuille d'aluminium sont des matériaux conducteurs bon marché et de bonne qualité. En même temps, dans la batterie au lithium, nous avons principalement deux méthodes de traitement : l'enroulement et la stratification.

Par rapport à un enroulement comme Batterie 21700La pièce polaire utilisée pour préparer la batterie doit avoir un certain degré de flexibilité afin de garantir qu'elle ne présente pas de problèmes tels qu'une rupture fragile pendant l'enroulement. Parmi les matériaux métalliques, le cuivre et la feuille d'aluminium sont également des métaux souples. Enfin, il faut tenir compte du coût de la préparation de la batterie. Le prix des feuilles de cuivre et d'aluminium est relativement bon marché et les ressources en cuivre et en aluminium sont abondantes dans le monde.

Deuxièmement, les feuilles de cuivre et d'aluminium sont relativement stables dans l'air. L'aluminium réagit facilement chimiquement avec l'oxygène de l'air, formant un film d'oxyde dense à la surface de l'aluminium pour empêcher toute réaction ultérieure de l'aluminium, et ce film d'oxyde très fin a également un certain effet protecteur sur l'aluminium dans l'électrolyte. Le cuivre lui-même est relativement stable dans l'air et ne réagit pratiquement pas dans l'air sec.

Troisièmement, c'est le potentiel des électrodes de la cathode et de l'anode de la batterie au lithium qui détermine l'utilisation de la feuille d'aluminium pour l'électrode de la cathode et de la feuille de cuivre pour l'électrode de l'anode, et non l'inverse. Le potentiel de l'électrode de la cathode est élevé et la feuille de cuivre est facilement oxydée à un potentiel élevé.

Le potentiel d'oxydation de l'aluminium est élevé et la surface de la feuille d'aluminium présente un film d'oxyde dense, qui a également un bon effet protecteur sur l'aluminium interne. Ces deux matériaux sont utilisés comme collecteurs de courant parce qu'ils ont une bonne conductivité électrique, une texture douce (peut-être aussi propice au collage) et qu'ils sont relativement courants et bon marché. En même temps, une couche d'oxyde protectrice peut se former à la surface des deux.

Pourquoi les collecteurs de courant de la cathode et de l'anode sont-ils différents ?

1. La taille des vides octaédriques du réseau de l'aluminium métallique est similaire à celle du Li, et il est facile de former des composés métalliques interstitiels avec le Li. Li et Al forment non seulement un alliage de formule chimique LiAl, mais peuvent également former Li3Al2 ou Li4Al3. En raison de la forte activité de la réaction entre le métal Al et le Li, le métal Al consomme une grande quantité de Li, et sa structure et sa morphologie sont également endommagées, de sorte qu'il ne peut pas être utilisé comme collecteur de courant de l'électrode d'anode des batteries lithium-ion ;

Dans le processus de charge et de décharge de la batterie, le Cu n'a qu'une faible capacité d'intercalation du lithium, et maintient la stabilité de la structure et la performance électrochimique, et peut être utilisé comme collecteur de courant de l'électrode d'anode de la batterie lithium-ion ; Lorsque la feuille de Cu est à 3,75V, le courant de polarisation commence à augmenter de manière significative, et il augmente en ligne droite, et l'oxydation s'intensifie, ce qui indique que le Cu commence à être instable à ce potentiel ;

Dans toute la gamme de potentiel de polarisation de la feuille d'aluminium, le courant de polarisation est faible et constant, aucun phénomène de corrosion évident n'est observé et la performance électrochimique est stable. En raison de la faible capacité d'intercalation du lithium de l'aluminium dans la plage de potentiel de l'électrode de cathode des batteries au lithium ionique et de sa capacité à maintenir la stabilité électrochimique, il convient au collecteur de courant de la cathode des batteries au lithium ionique.

2. La couche d'oxyde à la surface du cuivre/nickel est un semi-conducteur et les électrons sont conducteurs. La couche d'oxyde est trop épaisse et l'impédance est grande ; tandis que la couche d'oxyde sur la surface de l'aluminium est un isolant d'oxyde d'aluminium, et la couche d'oxyde ne peut pas conduire l'électricité. Conductivité : si la couche d'oxyde est épaisse, la conductivité de la feuille d'aluminium est médiocre, voire isolante. En règle générale, le collecteur de courant doit être nettoyé en surface avant d'être utilisé. D'une part, cela permet d'éliminer les taches d'huile et, d'autre part, cela permet d'enlever l'épaisse couche d'oxyde.

3. Le potentiel de l'électrode cathodique est élevé et la fine couche d'oxyde d'aluminium est très dense, ce qui peut empêcher l'oxydation du collecteur de courant. La couche d'oxyde de la feuille de cuivre/nickel est plus lâche, afin d'éviter son oxydation, il est préférable d'avoir un potentiel plus bas. En même temps, il est difficile pour le Li de former un alliage d'intercalation de lithium avec le Cu/nickel à un faible potentiel. Toutefois, si la surface du cuivre/nickel est fortement oxydée, le Li réagira avec l'oxyde de cuivre/nickel à un potentiel légèrement plus élevé. Bien que la feuille d'aluminium ne puisse pas être utilisée comme électrode anodique, l'alliage LiAl se produit à faible potentiel.

4. Le collecteur de courant nécessite des ingrédients purs. La composition impure de l'Al entraînera l'apparition d'une corrosion par piqûres parce que le film de surface n'est pas dense, et même la formation d'un alliage LiAl en raison de l'endommagement du film de surface.

Exigences en matière d'épaisseur des feuilles de cuivre et d'aluminium

Avec le développement rapide des piles au lithium ces dernières années, le collecteur de courant pour les piles au lithium s'est également développé rapidement. La feuille d'aluminium de la cathode a été réduite de 16um les années précédentes à 14um, puis à 12um. Aujourd'hui, de nombreux fabricants de batteries, y compris les 10 premiers fabricants de batteries lithium-ion qui utilise du papier aluminium de 10um, et même de 8um.

En ce qui concerne la feuille de cuivre utilisée pour l'électrode de l'anode, en raison de sa bonne flexibilité, l'épaisseur de la feuille de cuivre est réduite de 12um à 10um, puis à 8um. Jusqu'à présent, la plupart des les 10 premières entreprises mondiales de feuilles de cuivre pour batteries au lithium utilisent le 6um pour la production de masse, et certains fabricants développent le 5um/4um.

Étant donné que la batterie au lithium a des exigences élevées en matière de pureté des feuilles de cuivre et d'aluminium utilisées, la densité du matériau est fondamentalement la même. Lorsque l'épaisseur du développement diminue, la densité surfacique diminue également en conséquence, et le poids de la batterie devient naturellement de plus en plus faible, ce qui correspond à nos besoins en matière de batteries au lithium.

Exigences en matière de rugosité de surface des feuilles de cuivre et d'aluminium

Pour le collecteur de courant, outre l'influence de son épaisseur et de son poids sur la batterie au lithium, les propriétés de la surface du collecteur de courant ont également une grande influence sur la production et les performances de la batterie. En particulier pour le collecteur de courant de l'anode, en raison des défauts de la technologie de préparation, les feuilles de cuivre sur le marché sont principalement des variétés de laine à une face, de laine à deux faces et de rugosité à deux faces.

Cette asymétrie de la structure biface entraîne une résistance de contact asymétrique des revêtements des deux côtés de l'électrode d'anode, ce qui fait que la capacité de l'électrode d'anode des deux côtés n'est pas libérée uniformément. En même temps, l'asymétrie des deux côtés entraîne également une force de liaison incohérente du revêtement de l'électrode d'anode, et la durée du cycle de charge-décharge du revêtement de l'électrode d'anode des deux côtés est sérieusement déséquilibrée, ce qui accélère l'affaiblissement de la capacité de la batterie.