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锂电池为何负极用铜箔,正极用铝箔

文章来源:PNAS普纳斯能源官网 人气:148 发表时间:2019-06-20 18:51:43
对于锂离子电池来说,通常使用的正极集流体是铝箔,负极集流体是铜箔,为了保证集流体在电池内部稳定性,二者纯度都要求在98%以上。随着锂电技术的不断发展,无论是用于数码产品的锂电池还是电动汽车的电池,我们都希望电池的能量密度尽量高,电池的重量越来越轻,而在集流体这块最主要就是降低集流体的厚度和重量,从直观上来减少电池的体积和重量。锂离子电池的正极为什么用铝箔,而负极用铜箔,原因有以下三点:
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对于锂离子电池来说,通常使用的正极集流体是铝箔,负极集流体是铜箔,为了保证集流体在电池内部稳定性,二者纯度都要求在98%以上。随着锂电技术的不断发展,无论是用于数码产品的锂电池还是电动汽车的电池,我们都希望电池的能量密度尽量高,电池的重量越来越轻,而在集流体这块最主要就是降低集流体的厚度和重量,从直观上来减少电池的体积和重量。锂离子电池的正极为什么用铝箔,而负极用铜箔,原因有以下三点:

一是铜铝箔导电性好,质地软,价格便宜。我们都知道,锂电池工作原理是将化学能转化为电能的一种电化学装置,那么在这个过程中,我们需要一种介质把化学能转化的电能传递出来,这里就需要导电的材料。而在普通材料中,金属材料是导电性最好的材料而在金属材料里价格便宜导电性又好的就是铜箔和铝箔。同时,在锂电池中,我们主要有卷绕和叠片两种加工方式。相对于卷绕来说,需要用于制备电池的极片具有一定的柔软性,才能保证极片在卷绕时不发生脆断等问题,而金属材料中,铜铝箔也是质地较软的金属。最后就是考虑电池制备成本,相对来说,铜铝箔价格相对便宜,世界上铜和铝元素资源丰富。

二是铜铝箔在空气中也相对比较稳定。铝很容易跟空气中的氧气发生化学反应,在铝表面层生成一层致密的氧化膜,阻止铝的进一步反应,而这层很薄的氧化膜在电解液中对铝也有一定的保护作用。铜在空气中本身比较稳定,在干燥的空气中基本不反应。

三是锂电池正负极电位决定正极用铝箔,负极用铜箔,而非反过来。正极电位高,铜箔在高电位下很容易被氧化,而铝的氧化电位高,且铝箔表层有致密的氧化膜,对内部的铝也有较好的保护作用。采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能这也会有利于粘结),也相对常见比较廉价,同时两者表面都能形成一层氧化物保护膜。

一、金属铝的晶格八面体空隙大小与Li 大小相近,极易与Li形成金属间隙化合物,Li 和Al不仅形成了化学式为LiAl的合金,还有可能形成了Li3Al2或Li4Al3。由于金属Al与Li 反应的高活泼性,使金属Al消耗了大量的Li ,本身的结构和形态也遭到破坏,故不能作为锂离子电池负极的集流体;而Cu在电池充放电过程中,只有很少的嵌锂容量,并且保持了结构和电化学性能的稳定,可作为锂离子电池负极的集流体;Cu箔在3.75V时,极化电流开始显著增大,并且呈直线上升,氧化加剧,表明Cu在此电位下开始不稳定;而铝箔在整个极化电位区间,极化电流较小,并且恒定,没有观察到明显腐蚀现象的发生,保持了电化学性能的稳定。由于在锂离子电池正极电位区间, Al的嵌锂容量较小,并且能够保持电化学稳定,适合作锂离子电池的正极集流体。

二、铜/镍表面氧化层属于半导体,电子导通,氧化层太厚,阻抗较大;而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体,氧化层不能导电,但由于其很薄,通过隧道效应实现电子电导,若氧化层较厚,铝箔导电性级差,甚至绝缘。一般集流体在使用前最好要经过表面清洗,一方面洗去油污,同时可除去厚氧化层。 

三、正极电位高,铝薄氧化层非常致密,可防止集流体氧化。而铜/镍箔氧化层较疏松些,为防止其氧化,电位比较低较好,同时Li难与Cu/镍在低电位下形成嵌锂合金,但是若铜/镍表面大量氧化,在稍高电位下Li会与氧化铜/镍发生嵌锂发应。而铝箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl合金化。 

锂电用铜铝箔厚度要求

随着近些年锂电迅猛发展,锂电池用集流体发展也很快。正极铝箔由前几年的16um降低到14um,再到12um,现在已经不少电池生产厂家已经量产使用10um的铝箔,甚至用到8um。而负极用铜箔,由于本身铜箔柔韧性较好,其厚度由之前12um降低到10um,再到8um,到目前有很大部分电池厂家量产用6um,以及部分厂家正在开发的5um/4um都是有可能使用的。由于锂电池对于使用的铜铝箔纯度要求高,材料的密度基本在同一水平,随着开发厚度的降低,其面密度也相应降低,电池的重量自然也是越来越小,符合我们对于锂电池的需求。

锂电用铜铝箔表面粗糙度要求:

对于集流体,除了其厚度重量对锂电池有影响外,集流体表面性能对电池的生产及性能也有较大的影响。尤其是负极集流体,由于制备技术的缺陷,市场上的铜箔以单面毛、双面毛、双面粗化品种为主。这种两面结构不对称导致负极两面涂层接触电阻不对称,进而使两面负极容量不能均匀释放;同时,两面不对称也引发负极涂层粘结强度不一致,是的两面负极涂层充放电循环寿命严重失衡,进而加快电池容量的衰减。


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