Der Stromkollektor ist eine der unverzichtbaren Komponenten in Lithium-Ionen-Batterien. Es kann nicht nur das aktive Material transportieren, sondern auch den vom aktiven Elektrodenmaterial erzeugten Strom sammeln und ausgeben, was dazu beiträgt, den Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Batterien zu verringern und den Coulomb-Wirkungsgrad, die Zyklenstabilität und die Geschwindigkeitsleistung zu verbessern Batterie.
Stromkollektor für Lithium-Ionen-Batterie
Grundsätzlich sollte ein idealer Stromkollektor für Lithium-Ionen-Batterien die folgenden Bedingungen erfüllen: (1) hohe Leitfähigkeit; (2) Gute chemische und elektrochemische Stabilität; (3) Hohe mechanische Festigkeit; (4) Gute Kompatibilität und Bindungsstärke mit aktiven Elektrodenmaterialien; (5) Günstig und leicht zu bekommen; (6) Leicht.
In praktischen Anwendungen weisen unterschiedliche Stromkollektormaterialien jedoch immer noch verschiedene Probleme auf, sodass sie die oben genannten Multiskalenanforderungen nicht vollständig erfüllen können. Kupfer neigt bei höheren Potentialen zur Oxidation und eignet sich zur Verwendung als Stromkollektor für die negative Elektrode. Aluminium weist als Stromkollektor der negativen Elektrode ein schwerwiegenderes Korrosionsproblem auf und eignet sich zur Verwendung als Stromkollektor der positiven Elektrode. Zu den Materialien, die derzeit als Stromabnehmer für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden können, gehören Metallleitermaterialien wie Kupfer, Aluminium, Nickel und Edelstahl, Halbleitermaterialien wie Kohlenstoff und Verbundmaterialien.
1.1 Stromkollektor aus Kupfer
Kupfer ist ein ausgezeichneter Metallleiter mit einer Leitfähigkeit, die nur von Silber übertroffen wird, und bietet viele Vorteile wie reichlich vorhandene Ressourcen, niedrige Kosten und einfache Verfügbarkeit sowie gute Duktilität. Da Kupfer jedoch bei höheren Potentialen zur Oxidation neigt, wird es häufig als Stromkollektor für aktive Materialien der negativen Elektrode wie Graphit, Silizium, Zinn und Kobalt-Zinn-Legierungen verwendet. Zu den gängigen Kupferkollektoren gehören Kupferfolie, Schaumkupfer, Kupfernetz und dreidimensionale Nano-Kupfer-Array-Kollektoren.
1.1.1 Stromkollektor aus Kupferfolie
Je nach Herstellungsverfahren kann Kupferfolie weiter in gewalzte Kupferfolie und elektrolytische Kupferfolie unterteilt werden. Im Vergleich zu elektrolytischer Kupferfolie weist gewalzte Kupferfolie eine höhere Leitfähigkeit und einen besseren Dehnungseffekt auf. Lithium-Ionen-Batterien mit geringen Anforderungen an die Krümmung können elektrolytische Kupferfolie als Stromkollektor der negativen Elektrode wählen. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Rauheit der Kupferfolienoberfläche dazu beiträgt, die Bindungsstärke zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Material zu verbessern, den Kontaktwiderstand zwischen dem aktiven Material und dem Stromkollektor zu verringern und entsprechend die Entladeleistung und den Entladezyklus zu verbessern Stabilität der Batterie.
1.1.2 Schaumkupferkollektor
Schaumkupfer ist eine Art dreidimensionales Netzwerkmaterial ähnlich einem Schwamm, das viele Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Zähigkeit sowie eine große spezifische Oberfläche bietet. Obwohl Silicium- und Zinn-Negativelektroden-Aktivmaterialien eine hohe theoretische spezifische Kapazität aufweisen und als eines der vielversprechenden Negativelektroden-Aktivmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien gelten, weisen sie auch Nachteile wie große Volumenänderungen und Pulverisierung während des zyklischen Ladens/Entladens auf kann die Batterieleistung ernsthaft beeinträchtigen. Die Forschung zeigt, dass der Schaumkupferkollektor die Volumenänderung der aktiven Materialien der Silizium- und Zinnanode während des Lade- und Entladevorgangs hemmen, das Pulverisierungsphänomen verlangsamen und so die Batterieleistung verbessern kann.
1.2 Stromkollektor aus Aluminium
Obwohl die Leitfähigkeit von Aluminiummetall geringer ist als die von Kupfer, ist die Qualität von Aluminiumdraht beim Transport der gleichen Strommenge nur halb so hoch wie die von Kupferdraht. Zweifellos kann der Einsatz von Stromkollektoren aus Aluminium dazu beitragen, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Darüber hinaus ist Aluminium im Vergleich zu Kupfer günstiger im Preis. Während des Lade-/Entladevorgangs von Lithium-Ionen-Batterien bildet sich auf der Oberfläche des Stromkollektors aus Aluminiumfolie ein dichter Oxidfilm, der die Korrosionsbeständigkeit der Aluminiumfolie verbessert und häufig als Stromkollektor für die positive Elektrode verwendet wird Lithium-Ionen-Batterien.
Wie bei Kupferfolien-Stromkollektoren kann eine Oberflächenbehandlung auch die Oberflächeneigenschaften von Aluminiumfolie verbessern. Nach dem Gleichstromätzen bildet sich auf der Oberfläche der Aluminiumfolie eine Wabenstruktur, die fester mit dem Aktivmaterial der positiven Elektrode verbunden ist und die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Batterien verbessert. Tatsächlich leiden Stromabnehmer aus Aluminium jedoch häufig unter starker Korrosion aufgrund der Zerstörung von Oberflächenpassivierungsfilmen, was zu einer Leistungsminderung von Lithium-Ionen-Batterien führt. Um die Korrosionsbeständigkeit geätzter Aluminiumfolie zu verbessern, ist es daher notwendig, deren Oberfläche zu optimieren und einen stabileren Passivierungsfilm zu bilden.
1.3 Stromkollektor aus Nickel
Relativ gesehen ist Nickel ein unedles Metall mit relativ niedrigem Preis, guter Leitfähigkeit und Stabilität in sauren und alkalischen Lösungen. Daher kann Nickel sowohl als Stromkollektor für die positive Elektrode als auch als Stromkollektor für die negative Elektrode verwendet werden. Es gibt sowohl aktive Materialien für die positive Elektrode wie Lithiumeisenphosphat als auch aktive Materialien für die negative Elektrode wie Nickeloxid, Schwefel und Kohlenstoff-Silizium-Verbundmaterialien, die dazu passen.
Die Form des Nickelsammlers umfasst normalerweise Schaumnickel und Nickelfolie. Da Schaumnickel Kanäle und eine große Kontaktfläche mit der aktiven Substanz entwickelt hat, wird der Kontaktwiderstand zwischen aktiver Substanz und Kollektor verringert. Bei der Verwendung von Nickelfolie als Elektrodenstromkollektor neigt das aktive Material mit zunehmender Anzahl der Lade-/Entladezyklen dazu, sich abzulösen, was sich auf die Batterieleistung auswirkt. Ebenso ist der Oberflächenvorbehandlungsprozess auch auf Nickelfolien-Stromkollektoren anwendbar. Nach dem Ätzen der Oberfläche des Stromkollektors aus Nickelfolie wird die Bindungsstärke zwischen der aktiven Substanz und dem Stromkollektor deutlich verbessert.
Nickeloxid hat die Vorteile einer stabilen Struktur, eines niedrigen Preises und einer hohen theoretischen spezifischen Kapazität, was es zu einem weit verbreiteten Aktivmaterial für negative Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien macht. Auf dieser Grundlage wurde eine Schicht aus Nickeloxid in situ auf der Oberfläche von Schaumnickel durch ein Festphasenoxidationsverfahren gezüchtet und eine Nickeloxidanode mit Schaumnickel als Kollektor hergestellt. Im Vergleich zur negativen Elektrode aus Nickelfolie/Nickeloxid stieg die spezifische Kapazität der ersten Entladung der negativen Elektrode aus geschäumtem Nickel/Nickeloxid deutlich an. Der Grund dafür ist, dass dreidimensional strukturierte Stromkollektoren im Vergleich zu zweidimensionalen Stromkollektoren Grenzflächenpolarisationsphänomene reduzieren und die Lade-/Entladezyklusstabilität von Batterien verbessern.
Lithiumeisenphosphat gilt aufgrund seiner guten Sicherheit und seiner breiten Rohstoffquelle als ideales positives Aktivmaterial für Lithium-Ionen-Leistungsbatterien. Durch Auftragen auf die Oberfläche des Schaumnickelkollektors kann die Kontaktfläche zwischen LiFePO4 und Schaumnickel vergrößert, die Stromdichte der Grenzflächenreaktion verringert und somit die Geschwindigkeitsentladungsleistung von LiFePO4 verbessert werden.
1.4 Stromkollektor aus Edelstahl
Unter Edelstahl versteht man legierten Stahl, der Elemente wie Nickel, Molybdän, Titan, Niob, Kupfer und Eisen enthält. Es weist eine gute Leitfähigkeit und Stabilität auf und widersteht chemischer Korrosion durch schwach korrosive Medien wie Luft, Dampf und Wasser sowie stark korrosive Medien wie Säure, Alkali und Salz. Edelstahloberflächen neigen außerdem dazu, einen Passivierungsfilm zu bilden, der die Oberfläche vor Korrosion schützen kann. Gleichzeitig kann Edelstahl dünner als Kupfer verarbeitet werden, was Vorteile wie niedrige Kosten, einfaches Verfahren und Produktion in großem Maßstab bietet. Edelstahl kann als positiver oder negativer Stromkollektor verwendet werden. Zu den gängigen Arten von Stromkollektoren aus Edelstahl gehören Edelstahlgewebe und poröser Edelstahl.
1.4.1 Kollektorflüssigkeit aus Edelstahlgewebe
Die Textur des Edelstahlgewebes ist dicht. Beim Einsatz als Stromkollektor ist seine Oberfläche mit elektrodenaktiven Materialien umhüllt und kommt nicht in direkten Kontakt mit dem Elektrolyten, wodurch es weniger anfällig für Nebenreaktionen ist und die Zyklenleistung der Batterie verbessert wird.
1.4.2 Poröser Stromkollektor aus Edelstahl
Eine einfache und effektive Methode zur vollständigen Nutzung aktiver Materialien und zur Verbesserung der spezifischen Entladungskapazität von Elektroden ist die Verwendung poröser Stromkollektoren.
1,5 Kohlestromkollektor
Bei der Verwendung von Kohlenstoffmaterialien als positive oder negative Elektrodenstromkollektoren kann die Korrosion des Elektrolyten auf Metallstromkollektoren vermieden werden, und es bietet die Vorteile reichlich vorhandener Ressourcen, einfacher Verarbeitung, niedrigem spezifischem Widerstand, keiner Schädigung der Umwelt und eines niedrigen Preises.
Kohlefasergewebe kann aufgrund seiner hervorragenden Flexibilität, Leitfähigkeit und elektrochemischen Stabilität als Stromkollektor für flexible Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Kohlenstoff-Nanoröhren sind eine weitere Form von Kohlenstoff-Stromkollektoren, die im Hinblick auf das Gewicht offensichtliche Vorteile gegenüber Metall-Stromkollektoren haben und die Energiedichte von Batterien erheblich verbessern können.
1.6 Verbundstromkollektor
Neben Einzelkollektoren wie Kupferkollektoren, Aluminiumkollektoren, Nickelkollektoren, Edelstahlkollektoren und Kohlenstoffkollektoren haben in den letzten Jahren auch Verbundkollektoren wie leitfähige Harze, kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolien und Titan das Forschungsinteresse von Wissenschaftlern geweckt Nickel-Formgedächtnislegierungen.
1.6.1 Stromkollektor aus leitfähigem Harz
Stromabnehmer aus Polyethylen (PE) und Phenolharz (PF) bestehen aus leitfähigen Füllstoffen und einer Polymerharzmatrix. Ein Verbundstromkollektor wurde durch gleichmäßiges Mischen von PE und PF als Matrixmaterialien mit leitfähigen Füllstoffen (Graphit, Ruß) hergestellt und ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften untersucht. Graphen ist ein einzigartiges und neuartiges zweidimensionales Kohlenstofffunktionsmaterial, das durch sp2-Hybridisierung von Kohlenstoffatomen entsteht. Es bietet viele Vorteile wie eine extrem hohe Leitfähigkeit, spezifische Oberfläche und mechanische Festigkeit. Es kann Graphit als aktives Material der negativen Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien oder als Stromkollektormaterial ersetzen.
1.6.2 Stromkollektor aus Titan-Nickel-Formgedächtnislegierung
Eine Titan-Nickel-Formgedächtnislegierung ist eine binäre Legierung aus Nickel und Titan, die sich bei Änderungen der Außentemperatur oder des Außendrucks zwischen zwei verschiedenen Kristallphasen umwandeln kann. Eine Titan-Nickel-Formgedächtnislegierung kann die Volumenänderung aktiver Substanzen während des Ladens und Entladens unterdrücken, indem sie ihren eigenen Phasenzustand ändert, wodurch die Zyklenlebensdauer von Batterien verbessert wird.
1.6.3 Stromkollektor aus kohlenstoffbeschichteter Aluminiumfolie
Unter kohlenstoffbeschichtetem/Aluminiumfolien-Stromkollektor versteht man einen zusammengesetzten Stromkollektor, bei dem eine kohlenstoffhaltige Verbundschicht auf die Oberfläche einer Aluminiumfolie aufgetragen wird. Unter anderem besteht die kohlenstoffhaltige Schicht aus Kohlenstofffasern und mit Dispergiermitteln behandelten leitfähigen Rußpartikeln, die eng mit Aluminiumfolie verbunden werden können, um die Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Elektrode zu verbessern.
Der Stromkollektor ist eine der unverzichtbaren und wichtigen Komponenten in Lithium-Ionen-Batterien und hat mehrere Funktionen: Er trägt elektrodenaktive Materialien und sammelt den Ausgangsstrom. Die Leistung von Stromkollektoren, die aus unterschiedlichen Materialien und Produktionsverfahren hergestellt werden, ist unterschiedlich und auch ihre Auswirkungen auf Lithium-Ionen-Batterien sind unterschiedlich.