Strømsamleren er en av de uunnværlige komponentene i litium-ion-batterier. Den kan ikke bare bære det aktive materialet, men også samle og sende ut strømmen som genereres av det aktive elektrodematerialet, noe som bidrar til å redusere den indre motstanden til litiumion-batterier, forbedre den coulombiske effektiviteten, syklusstabiliteten og hastighetsytelsen til batteri.
Lithium ion batteri strømsamler
I prinsippet bør en ideell litiumionbatteristrømsamler oppfylle følgende betingelser: (1) høy ledningsevne; (2) God kjemisk og elektrokjemisk stabilitet; (3) Høy mekanisk styrke; (4) God kompatibilitet og bindingsstyrke med elektrodeaktive materialer; (5) Billig og lett å få tak i; (6) Lett.
Men i praktiske applikasjoner har forskjellige strømkollektormaterialer fortsatt forskjellige problemer, så de kan ikke fullt ut oppfylle multiskalakravene nevnt ovenfor. Kobber er utsatt for oksidasjon ved høyere potensialer og er egnet for bruk som en negativ elektrodestrømsamler; Aluminium, som en negativ elektrodestrømsamler, har et mer alvorlig korrosjonsproblem og er egnet for bruk som en positiv elektrodestrømsamler. For tiden inkluderer materialer som kan brukes som strømsamlere for litiumion-batterier metallledermaterialer som kobber, aluminium, nikkel og rustfritt stål, halvledermaterialer som karbon og komposittmaterialer.
1.1 Kobberstrømsamler
Kobber er en utmerket metallleder med ledningsevne nest etter sølv, og har mange fordeler som rikelig med ressurser, lav pris og enkel tilgjengelighet, og god duktilitet. Men med tanke på at kobber er utsatt for oksidasjon ved høyere potensialer, brukes det ofte som en strømkollektor for negative elektrodeaktive materialer som grafitt, silisium, tinn og kobolttinnlegeringer. Vanlige kobbersamlere inkluderer kobberfolie, skumkobber, kobbernett og tredimensjonal nanokobberarraysamler.
1.1.1 Kobberfolie strømsamler
I henhold til produksjonsprosessen av kobberfolie kan den videre deles inn i rullet kobberfolie og elektrolytisk kobberfolie. Sammenlignet med elektrolytisk kobberfolie har rullet kobberfolie høyere ledningsevne og bedre forlengelseseffekt. Litiumionbatterier med lave krav til krumning kan velge elektrolytisk kobberfolie som negativ elektrodestrømsamler. Forskning har vist at å øke ruheten til kobberfolieoverflaten er gunstig for å forbedre bindingsstyrken mellom strømkollektoren og det aktive materialet, redusere kontaktmotstanden mellom det aktive materialet og strømkollektoren, og tilsvarende forbedre hastighetsutladningsytelsen og syklusen. stabiliteten til batteriet.
1.1.2 skum kobbersamler
Skumkobber er et slags tredimensjonalt nettverksmateriale som ligner på svamp, som har mange fordeler som lett vekt, høy styrke og seighet og stort spesifikt overflateareal. Selv om aktive materialer med negativ elektrode i silisium og tinn har høy teoretisk spesifikk kapasitet og anses å være et av de lovende aktive materialene for negative elektroder for litiumion-batterier, har de også ulemper som store volumendringer og pulverisering under syklisk lading/utlading, som påvirke batteriytelsen alvorlig. Forskningen viser at skumkobbersamleren kan hemme volumendringen av de aktive materialene av silisium og tinnanode under lade- og utladingsprosessen, bremse pulveriseringsfenomenet og dermed forbedre batteriytelsen.
1.2 Strømsamler i aluminium
Selv om ledningsevnen til aluminiummetall er lavere enn for kobber, er kvaliteten på aluminiumstråd bare halvparten av kobbertråden ved transport av samme mengde elektrisitet. Utvilsomt kan bruk av strømsamlere i aluminium bidra til å forbedre energitettheten til litium-ion-batterier. I tillegg, sammenlignet med kobber, er aluminium billigere i pris. Under lade-/utladingsprosessen til litium-ion-batterier dannes det en tett oksidfilm på overflaten av aluminiumsfoliestrømsamleren, som forbedrer korrosjonsmotstanden til aluminiumsfolien og brukes ofte som strømkollektor for den positive elektroden i litium-ion-batterier.
Som kobberfoliestrømsamlere kan overflatebehandling også forbedre overflateegenskapene til aluminiumsfolie. Etter likestrømsetsing vil det dannes en bikakestruktur på overflaten av aluminiumsfolien, som er tettere bundet til det positive elektrodeaktive materialet og forbedrer den elektrokjemiske ytelsen til litiumionbatterier. Imidlertid lider faktisk aluminiumstrømsamlere ofte av alvorlig korrosjon på grunn av ødeleggelsen av overflatepassiveringsfilmer, noe som fører til en reduksjon i ytelsen til litiumion-batterier. Derfor, for å forbedre korrosjonsmotstanden til etset aluminiumsfolie, er det nødvendig å optimalisere overflaten og danne en mer stabil passiveringsfilm.
1.3 Nikkelstrømsamler
Relativt sett er nikkel et uedelt metall med en relativt lav pris, god ledningsevne og stabilitet i sure og alkaliske løsninger. Derfor kan nikkel brukes både som en positiv elektrodestrømsamler og en negativ elektrodestrømsamler. Det er både positive elektrodeaktive materialer som litiumjernfosfat og negative elektrodeaktive materialer som nikkeloksid, svovel og karbonsilisiumkomposittmaterialer som matcher det.
Formen på nikkelsamler inkluderer vanligvis skumnikkel og nikkelfolie. Fordi skumnikkel har utviklet kanaler og stor kontaktflate med virkestoff, reduseres kontaktmotstanden mellom virkestoff og oppsamler. Ved bruk av nikkelfolie som elektrodestrømsamler, ettersom antall lade-/utladingssykluser øker, er det aktive materialet utsatt for løsrivelse, noe som påvirker batteriets ytelse. Tilsvarende er overflateforbehandlingsprosessen også anvendelig på nikkelfoliestrømsamlere. Etter etsning av overflaten til nikkelfoliestrømsamleren, er bindingsstyrken mellom det aktive stoffet og strømkollektoren betydelig forbedret.
Nikkeloksid har fordelene med stabil struktur, lav pris og høy teoretisk spesifikk kapasitet, noe som gjør det til et mye brukt negativt elektrodeaktivt materiale for litiumionbatterier. Basert på dette ble et lag med nikkeloksid dyrket in situ på overflaten av skumnikkel ved fastfaseoksidasjonsmetode, og nikkeloksidanode med skumnikkel som samler ble fremstilt. Sammenlignet med nikkelfolie/nikkeloksid negativ elektrode, økte den spesifikke kapasiteten til den første utladningen av skumnikkel/nikkeloksid negativ elektrode betydelig. Årsaken er at sammenlignet med todimensjonale strømkollektorer, reduserer tredimensjonale strukturerte strømkollektorer grensesnittpolarisasjonsfenomener og forbedrer lade-/utladingssyklusstabiliteten til batterier.
Litiumjernfosfat anses som et ideelt positivt aktivt materiale for kraftlitiumionbatterier på grunn av dets gode sikkerhet og brede kilde til råvarer. Å belegge den på overflaten av skumnikkeloppsamleren kan øke kontaktområdet mellom LiFePO4 og skumnikkel, redusere strømtettheten til grensesnittreaksjonen og dermed forbedre hastighetsutladningsytelsen til LiFePO4.
1.4 Strømavtager i rustfritt stål
Rustfritt stål refererer til legert stål som inneholder elementer som nikkel, molybden, titan, niob, kobber og jern. Den har god ledningsevne og stabilitet, og tåler kjemisk korrosjon fra svake korrosive medier som luft, damp og vann, samt sterke etsende medier som syre, alkali og salt. Overflaten i rustfritt stål er også utsatt for å danne en passiveringsfilm, som kan beskytte overflaten mot korrosjon. Samtidig kan rustfritt stål behandles tynnere enn kobber, med fordeler som lav pris, enkel prosess og storskala produksjon. Rustfritt stål kan brukes som en positiv eller negativ strømkollektor, og vanlige typer strømkollektorer i rustfritt stål inkluderer rustfritt stålnett og porøst rustfritt stål.
1.4.1 Nettingsamlervæske i rustfritt stål
Teksturen av rustfritt stålnett er tett. Når den brukes som strømsamler, er overflaten pakket inn av elektrodeaktive materialer og kommer ikke i direkte kontakt med elektrolytten, noe som gjør den mindre utsatt for sidereaksjoner og forbedrer batteriets syklingsytelse.
1.4.2 Porøs strømfanger i rustfritt stål
En enkel og effektiv metode for å utnytte aktive materialer fullt ut og forbedre den utladningsspesifikke kapasiteten til elektrodene er å bruke porøse strømsamlere.
1.5 Karbonstrømsamler
Når du bruker karbonmaterialer som positive eller negative elektrodestrømsamlere, kan det unngå korrosjon av elektrolytt på metallstrømsamlere, og det har fordelene med rikelig med ressurser, enkel behandling, lav resistivitet, ingen skade på miljøet og lav pris.
Karbonfiberduk kan brukes som strømsamler for fleksible litium-ion-batterier på grunn av sin utmerkede fleksibilitet, ledningsevne og elektrokjemiske stabilitet. Karbonnanorør er en annen form for karbonstrømsamler, som har åpenbare fordeler i forhold til metallstrømsamlere når det gjelder lettvekt og kan forbedre energitettheten til batterier betydelig.
1.6 Sammensatt strømkollektor
I tillegg til enkeltsamlere som kobbersamlere, aluminiumssamlere, nikkelsamlere, rustfrie stålsamlere og karbonsamlere, har komposittsamlere også tiltrukket seg forskningsinteressen til forskere de siste årene, som ledende harpikser, karbonbelagte aluminiumsfolier og titan. nikkel form minne legeringer.
1.6.1 Ledende harpiksstrømkollektor
Strømkollektorer av polyetylen (PE) og fenolharpiks (PF) er sammensatt av ledende fyllstoffer og en polymerharpiksmatrise. En komposittstrømkollektor ble fremstilt ved å jevnt blande PE og PF som matrisematerialer med ledende fyllstoffer (grafitt, kjønrøk), og deres fysiske og kjemiske egenskaper ble studert. Grafen er et unikt og nytt todimensjonalt karbonfunksjonelt materiale dannet ved sp2-hybridisering av karbonatomer. Den har mange fordeler som ultrahøy ledningsevne, spesifikt overflateareal og mekanisk styrke. Den kan erstatte grafitt som det negative elektrodeaktive materialet til litium-ion-batterier eller som strømkollektormateriale.
1.6.2 Titanium nikkel form minne legering strømsamler
Titan-nikkel formminnelegering er en binær legering sammensatt av nikkel og titan, som kan transformeres mellom to forskjellige krystallfaser med endringer i ytre temperatur eller trykk. Titan-nikkel-formminnelegering kan undertrykke volumendringen til aktive stoffer under lading og utlading ved å endre sin egen fasetilstand, og dermed forbedre batterilevetiden.
1.6.3 Karbonbelagt aluminiumsfolie strømsamler
Karbonbelagt/aluminiumsfoliestrømsamler refererer til en komposittstrømkollektor der et karbonholdig komposittlag er belagt på overflaten av en aluminiumsfolie. Blant dem er det karbonholdige laget sammensatt av karbonfibre og ledende sotpartikler behandlet med dispergeringsmidler, som kan kombineres tett med aluminiumsfolie for å forbedre ledningsevnen og korrosjonsmotstanden til elektroden.
Strømsamleren er en av de uunnværlige og viktige komponentene i litium-ion-batterier, med flere funksjoner for å bære elektrodeaktive materialer og samle utgangsstrøm. Ytelsen til strømsamlere laget av forskjellige materialer og produksjonsprosesser varierer, og deres innvirkning på litium-ion-batterier er også forskjellig.