Колектор струму з негативним електродом літій-іонної батареї

Через те, що чотири основні компоненти, з яких складаються літій{0}}іонні акумулятори, це матеріал позитивного електрода, матеріал негативного електрода, розділова плівка та електроліт. Однак, на додаток до чотирьох основних компонентів, струмознімач, який використовується для зберігання матеріалів позитивного та негативного електродів, також є важливою частиною літієвих батарей.

Для літій-іонних акумуляторів зазвичай використовується позитивний струмоприймач — алюмінієва фольга, а негативний — мідна фольга. Щоб забезпечити стабільність струмознімання всередині батареї, чистота обох повинна бути вище 98%. З безперервним розвитком технології літієвих батарей, будь то літієві батареї, що використовуються в цифрових виробах чи батареях електромобілів, ми сподіваємося, що щільність енергії батарей буде якомога вищою, а вага батарей стає все легшою. Що стосується струмоприймачів, то найголовніше - це зменшити товщину і вагу струмоприймачів, інтуїтивно зменшивши об'єм і вагу батарей.

Струмоприймач негативного електрода є провідною підкладкою, яка підтримує активний матеріал анода (наприклад, графіт, кремній) у літій-іонних батареях (LIB). Його основні ролі включають:

• Електронна провідність: забезпечує низький{0}}опір для електронів під час заряду/розряду.
• Механічна опора: зберігає структурну цілісність, незважаючи на зміни об’єму анода (наприклад, кремній розширюється ~300%).
• Стабільність інтерфейсу: мінімізує побічні реакції з електролітами.

Оскільки останніми роками літієві батареї стрімко розвивалися, струмоприймачі також швидко прогресували. Алюмінієва фольга позитивного електрода з часом стала тоншою: з 16 мкм у минулому до 14 мкм, а потім до 12 мкм. Сьогодні багато виробників акумуляторів вже виробляють і використовують алюмінієву фольгу 10 мкм, а деякі навіть використовують 8 мкм.

Для негативного електрода мідна фольга є більш гнучкою, тому її товщина впала з 12 мкм до 10 мкм, а потім до 8 мкм. В даний час багато виробників батарей використовують фольгу 6 мкм для масового виробництва. Деякі компанії також розробляють фольгу 5 мкм або навіть 4 мкм, яка може бути використана в майбутньому.

Оскільки мідна та алюмінієва фольга, яка використовується в літієвих батареях, має бути дуже чистою, щільність матеріалу в основному однакова. Зі зменшенням товщини поверхнева щільність (вага на одиницю площі) також падає. У результаті загальна вага батареї стає все меншою. Це відповідає нашим потребам у легших і якісніших літієвих батареях.

Для струмоприймачів, крім товщини та ваги, властивості поверхні також мають значний вплив на виробництво та продуктивність літієвих батарей. Особливо це стосується струмознімачів негативного електрода. Через обмеження у виробничих процесах мідна фольга, яка зараз доступна на ринку, в основному має три типи: одно-шорстка, дво-шорстка та дво-гладка. Ця асиметрична дво-структура призводить до нерівномірного контактного опору між покриттями негативного електрода з двох сторін. В результаті ємність негативного електрода виділяється нерівномірно.

У той же час асиметрія між двома сторонами також спричиняє непостійну міцність з’єднання покриття негативного електрода. Це створює серйозний дисбаланс у циклі заряду-розряду покриттів з обох сторін, що, у свою чергу, прискорює зниження ємності акумулятора.

Перший у світі метод електрохімічної термічної корозії був використаний для виготовлення мікропористої мідної фольги. Ця мікропориста мідна фольга має 4000–15 000 наскрізних-отворів на квадратний сантиметр, кожен діаметром 2–25 мкм, а також 10–10 000 глухих отворів діаметром від 10–50 мкм. Крім того, верхня і нижня поверхні фольги рівномірно вкриті слідами травлення глибиною 1–3 мкм, шириною 1–5 мкм і довжиною в десятки мікрометрів. Ці характеристики ідеально вирішують проблему адгезії між суспензією негативного електрода та мідною фольгою.

Специфічний розмір пор і слідів травлення забезпечує більшу шорсткість поверхні мікропористої мідної фольги без задирок або нерівних країв. Крім того, перехід між порами та поверхнею фольги утворює неправильну дугу, а не прямий кут 90 градусів, ефективно запобігаючи утворенню літієвих дендритів під час циклів заряду-розряду та подовжуючи термін служби батареї.

Крім того, мікропориста структура демонструє унікальні морфологічні риси. Пори, утворені внаслідок електрохімічної корозії, мають неправильну форму, розміри пор коливаються в певному діапазоні. Діаметр кожної пори також відрізняється вздовж різних осей. Ця нерегулярна геометрія пор додатково підвищує міцність зв’язку між мідною фольгою та суспензією негативного електрода.

1. Мідна фольга (переважний вибір)

Переваги:

Найвища провідність (5,96×10⁷ См/м) для ефективної передачі заряду.

Пластичність: витримує розширення електрода без розтріскування.

Електрохімічна стабільність при низьких потенціалах (0–1 В проти Li⁺/Li).

виклики:

Важкий (щільність ~8,96 г/см³) обмежує збільшення щільності енергії.

Схильний до корозії у вологому середовищі.

2. Мідна фольга з вуглецевим- покриттям (з’являється)

Покращені властивості:

Знижений міжфазний опір (на 20–30%) через вуглецевий шар.

Покращена адгезія для композитів кремній/графіт.

Applications: High-energy-density batteries (e.g., EVs, >350 Вт·год/кг).

3. Альтернативні матеріали (етап R&D)

• Три{0}}колектор тривимірних структур: дослідники розробили тривимірні мережеві структури, такі як мідні нанодроти та спінена мідь. Ці структури можуть запобігти зростанню літієвих дендритів, що покращує безпеку батареї та тривалість її служби. Вони особливо підходять для металевих літієвих анодів.
• Композитна мідна фольга: цей тип використовує полімерні матеріали для заміни частини металевого шару. Якщо акумулятор проколоти, на ньому не буде задирок. Полімер також може виступати в якості вимикача, щоб зупинити перепади температури.
• Адаптація до негативного електрода на основі кремнію: нові пористі струмоприймачі можуть зменшити проблему розширення об’єму матеріалів на основі кремнію- під час заряджання та розряджання. Це допомагає збільшити щільність енергії акумулятора.

Зв'язатися зараз

• Посилює адгезію між матеріалом анода та мідною фольгою.
• Має мінімальний вплив на газоутворення акумулятора.
• Міцність на розрив мікропористої мідної фольги залишається порівнянною з міцністю оригінальної мідної фольги.
• Питомий опір мікропористої мідної фольги збільшується менш ніж на 8%.
• Дещо підвищує ємність літій-іонних акумуляторів.
• Значно підвищує постійність роботи батареї та збільшує продуктивність.
• Сприяє високошвидкісному-заряджанню та розряджанню.
• Зменшує частку мідної фольги в загальній масі акумулятора.
• Покращує змочуваність суспензії та електроліту на мідній фользі.
• Зменшує контактний опір між матеріалом катода та алюмінієвою фольгою.
• Подовжує термін служби батареї.

Традиційна електроосаджена мідна фольга (ED-Cu) переживає глибоку технологічну еволюцію:

Ультра-схуднення

• Тенденція: з перших 12 мкм і 10 мкм фольги, основна тенденція змістилася на 6-8 мкм. Високоякісні-продукти тепер використовують 4,5 мкм, а розробка рухається до 3 мкм, 2 мкм і навіть тоншої фольги.
• Драйвер: тонша фольга зменшує вагу та звільняє простір, безпосередньо збільшуючи щільність енергії акумулятора (особливо гравіметричну щільність енергії).
• Завдання: ставить надзвичайні вимоги до міцності фольги на розрив, подовження, контролю шорсткості поверхні та продуктивності.

Висока продуктивність

• Мідна фольга з високою -міцністю-на розтягування: відповідає вимогам до міцності листів електродів для процесів укладання та акумуляторів із високою{2}}енергетичною-щільністю.
• Мідна фольга з низьким-профілем (LP) і дуже{1}}низьким{2}}профілем (VLP): більш гладкі поверхні покращують контакт з активним матеріалом, покращують рівномірність осадження-іонів літію та покращують швидкість-заряджання та термін служби.
• Композитна мідна фольга (або "сендвіч" мідна фольга, ПЕТ мідна фольга)
• Структура: полімерний опорний шар (PET/PP/PI, ~4–6 мкм завтовшки), покритий з обох боків ультра-мідним металевим шаром (~1 мкм).

Згорнута мідна фольга з м’яким загартом використовується як провідник в одязі для досліджень лікування раку від нашого клієнта з Індонезії.

Наші ED екрануючі мідні фольги з високим подовженням і високою міцністю на розрив можна використовувати в багатьох областях. Ми можемо надати конкретну одинарну-матову, подвійну-матову та подвійну-блискучу мідь ED для літій-іонної батареї. Ми також можемо запропонувати 2–6 унцій (номінальна товщина від 70 мкм до 210 мкм) екрановану ЕД-мідну фольгу, яка використовується для екранування електричних виробів, зокрема трансформаторів, кабелів, мобільних телефонів, комп’ютерів, механічної обробки, аерокосмічної та промислової промисловості. Більше того, HTE (високе температурне подовження) від 1/2oz до 2oz товщини мідної фольги та VLP-HTE-HF (дуже-низький-профіль, висока температура подовження та важка ED мідна фольга, що використовується в PCB, максимальний розмір якого становить 1295 мм x 2450 мм. Нижче наведено клієнта США Відгуки про екрануючу мідну фольгу, яка використовується в кабінеті МРТ

Розробка передових анодних струмоприймачів, таких як мікропориста мідна фольга, значно покращила продуктивність і надійність літій-іонних акумуляторів. Ключові переваги:

• Покращена адгезія – мікропориста структура підвищує міцність зв’язку між матеріалом анода (наприклад, графітом або кремнієм) і мідною фольгою, запобігаючи розшаруванню під час циклічного використання.
• Придушені літієві дендрити – нерегулярна геометрія пор і вигравірована поверхня усувають гострі краї, зменшуючи утворення дендритів і підвищуючи безпеку.
• Покращене змочування електроліту – пориста структура сприяє кращому проникненню електроліту, забезпечуючи рівномірний транспорт іонів і кінетику реакції.
• Висока -швидкість – оптимізована провідність і межфазні властивості дозволяють швидше заряджати та розряджати без значного накопичення опору.
• Механічна стабільність – міцність на розрив залишається порівнянною зі звичайною фольгою, забезпечуючи структурну цілісність під навантаженням.
• Подовжений термін служби – Зменшення росту дендритів і підвищена стабільність інтерфейсу сприяють подовженню терміну служби батареї.
• Легка вага. Знижений вміст міді знижує загальну вагу батареї, зберігаючи продуктивність.

Ці інновації вирішують критичні проблеми в акумуляторах із високою-енергетичною-щільністю, роблячи мікропористі струмоприймачі перспективним рішенням для літій-іонних акумуляторів наступного-покоління, зокрема для електромобілів і -пристроїв із високою{4}}потужністю.

Q1: Що таке струмоприймач негативного електрода в літій-іонній батареї?

A: Саме металева фольга (майже завжди мідна) збирає електрони з активного матеріалу анода та надсилає їх до зовнішнього контуру. Він також забезпечує фізичну підтримку анодного покриття.

Q2: Чому для негативного електрода використовується мідь замість алюмінію?

A: Оскільки негативний електрод працює при дуже низькій напрузі (приблизно 0,1 В порівняно з Li/Li⁺). Мідь стабільна при цій напрузі. Алюміній вступає в реакцію з літієм, утворюючи крихкий сплав (LiAl), у результаті чого фольга розривається.

Q3: Яка товщина мідної фольги для негативного електрода?

A: Основна товщина потоку становить 6 мкм (мікрометрів). Для порівняння, людська волосина має товщину близько 70 мкм. Деякі вдосконалені батареї використовують фольгу товщиною 4,5 мкм або навіть 3 мкм.

Q4: Як виготовляється мідна фольга негативного електрода?

A: Більшість зробленоелектроосадження. Мідь наноситься з розчину мідного купоросу на обертовий титановий барабан. Потім фольгу знімають, обробляють і розрізають по ширині. Цей метод називається електролітичною мідною фольгою (ED-фольга) і займає понад 90% ринку.

Q5: Яка різниця між блискучою та матовою стороною?

A: Під час виробництва одна сторона фольги торкається титанового барабана – ця сторона стає гладкою (блискучою). Інша сторона вільно росте і стає шорсткою (матова сторона). Шорстка сторона навмисно зроблена так, щоб мати певну шорсткість, щоб анодний шлам добре прилипав.

Q6: Що таке "композитна мідна фольга"?

Відповідь: Це новий тип, у якому тонкий пластиковий сердечник (наприклад, PET або PP) затиснутий між двома дуже тонкими шарами міді (приблизно 1 мкм кожен). Він легший і безпечніший – у разі проколу батареї пластик плавиться і розриває ланцюг, запобігаючи перегріву. Однак він все ще розробляється для масового виробництва.

П7. Чи потрібен для твердотільних-акумуляторів струмоприймач із мідним негативним електродом?

A: Більшість твердотільних-конструкцій акумуляторів досі використовують мідний струмознімач для негативного електрода. Однак мідна поверхня може потребувати спеціального покриття (наприклад, нікелю), щоб добре працювати з твердим електролітом.

Q8: Який майбутній тренд для струмоприймачів негативного електрода?

A: Дивіться тенденцію для струмоприймачів негативного електрода, як показано нижче:

• Більш тонка фольга: перехід від 6 мкм до 4,5 мкм і навіть 3 мкм
• Композитна мідна фольга: легша та безпечніша, очікується, що вона швидко зростатиме
• Тривимірні структури: мідна піна або нанодротяні мережі для роботи з літієвими анодами та придушенням дендритів

Популярні Мітки: літій-іонна батарея негативний електрод струмознімач, Китай літій-іонна батарея негативний електрод струмознімач виробники