鋰離子電池集流體的種類(lèi)

集流體是鋰離子電池中不可或缺的組成部件之一，它不僅能承載活性物質(zhì)，而且還可以將電極活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集并輸出，有利于降低鋰離子電池的內(nèi)阻，提高電池的庫(kù)倫效率、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

鋰離子電池集流體

原則上，理想的鋰離子電池集流體應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件: (1) 電導(dǎo)率高; (2) 化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性好; (3)機(jī)械強(qiáng)度高; (4) 與電極活性物質(zhì)的兼容性和結(jié)合力好; (5) 廉價(jià)易得; (6) 質(zhì)量輕。

但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不同的集流體材料仍存在這樣那樣的問(wèn)題，因而不能完全滿足上述多尺度需求。如銅在較高電位時(shí)易被氧化，適合用作負(fù)極集流體; 而鋁作為負(fù)極集流體時(shí)腐蝕問(wèn)題則較為嚴(yán)重，適合用作正極的集流體。目前可用作鋰離子電池集流體的材料有銅、鋁、鎳和不銹鋼等金屬導(dǎo)體材料、碳等半導(dǎo)體材料以及復(fù)合材料。

2.1 銅集流體

銅是電導(dǎo)率僅次于銀的優(yōu)良金屬導(dǎo)體，具有資源豐富、廉價(jià)易得、延展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。但考慮到銅在較高電位下易被氧化，因此常被用作石墨、硅、錫以及鈷錫合金等負(fù)極活性物質(zhì)的集流體。常見(jiàn)的銅質(zhì)集流體有銅箔、泡沫銅和銅網(wǎng)以及三維納米銅陣列集流體。

2.1.1 銅箔集流體

根據(jù)銅箔的生產(chǎn)工藝，可進(jìn)一步將銅箔分為壓延銅箔和電解銅箔。與電解銅箔相比，壓延銅箔的電導(dǎo)率更高，延伸效果更好，對(duì)彎曲度要求不高的鋰離子電池可以選擇電解銅箔作為負(fù)極集流體。研究表明，增加銅箔表面的粗糙程度有利于提高集流體與活性物質(zhì)之間的結(jié)合強(qiáng)度，降低活性物質(zhì)與集流體之間的接觸電阻，相應(yīng)地，電池的倍率放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性也更好。

2.1.2 泡沫銅集流體

泡沫銅是一種類(lèi)似于海綿的三維網(wǎng)狀材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度韌性高以及比表面積大等諸多優(yōu)點(diǎn)。雖然硅、錫負(fù)極活性材料具有很高的理論比容量，并被認(rèn)為是頗有發(fā)展前景的鋰離子電池負(fù)極活性材料之一，但在循環(huán)充/放電過(guò)程中也存在體積變化較大、粉化等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響電池性能。研究表明，泡沫銅集流體可以抑制硅、錫負(fù)極活性物質(zhì)在充放電過(guò)程中的體積變化，減緩其粉化現(xiàn)象，從而提高電池性能。

2.2 鋁集流體

雖然金屬鋁的導(dǎo)電性低于銅，但在輸送相同電量時(shí)，鋁線的質(zhì)量只需要銅線的一半，無(wú)疑，使用鋁集流體有助于提高鋰離子電池的能量密度。此外，與銅相比，鋁的價(jià)格更為低廉。在鋰離子電池充/放電過(guò)程中，鋁箔集流體表面會(huì)形成一層致密的氧化物薄膜，提高了鋁箔的抗腐蝕能力，常被用作鋰離子電池中正極的集流體。

與銅箔集流體一樣，表面處理也能提高鋁箔的表面特性。經(jīng)直流刻蝕后，鋁箔表面會(huì)形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，與正極活性物質(zhì)的結(jié)合更加緊密，并改善鋰離子電池的電化學(xué)性能。然而，事實(shí)上，鋁集流體也常常因表面鈍化膜的破壞而腐蝕嚴(yán)重，鋰離子電池性能也隨之降低。因此，為了提高刻蝕后鋁箔的耐蝕性能，需要對(duì)其表面進(jìn)行優(yōu)化處理，形成更加穩(wěn)定的鈍化膜。

2. 3 鎳集流體

相對(duì)而言，鎳屬于賤金屬，價(jià)格較為低廉，具有良好的導(dǎo)電性，且在酸、堿性溶液中較穩(wěn)定，因此，鎳既可以作為正極集流體，也可以作為負(fù)極集流體。與其匹配的既有正極活性物質(zhì)磷酸鐵鋰，也有氧化鎳、硫及碳硅復(fù)合材料等負(fù)極活性物質(zhì)。

鎳集流體的形狀通常有泡沫鎳和鎳箔兩種類(lèi)型。由于泡沫鎳的孔道發(fā)達(dá)，與活性物質(zhì)之間的接觸面積大，從而減小了活性物質(zhì)與集流體間的接觸電阻。而采用鎳箔作為電極集流體時(shí)，隨著充/放電次數(shù)增加，活性物質(zhì)易脫落，影響電池性能。同樣，表面預(yù)處理工藝也適用于鎳箔集流體。如對(duì)鎳箔集流體表面進(jìn)行刻蝕后，活性物質(zhì)與集流體的結(jié)合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

泡沫鎳

氧化鎳具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且具有較高的理論比容量，是一種應(yīng)用廣泛的鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)?；诖?，通過(guò)固相氧化法在泡沫鎳表面原位生長(zhǎng)一層氧化鎳，制備以泡沫鎳為集流體的氧化鎳負(fù)極。與鎳箔/氧化鎳負(fù)極相比，泡沫鎳/氧化鎳負(fù)極的首次放電比容量大幅度增加。原因在于，與二維集流體相比，三維結(jié)構(gòu)的集流體減少了界面極化現(xiàn)象，提高了電池的充/放電循環(huán)穩(wěn)定性。

磷酸鐵鋰因具有安全性好、原料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是動(dòng)力鋰離子電池理想的正極活性材料，將其涂覆在泡沫鎳集流體表面可以增加LiFePO4 與泡沫鎳的接觸面積，降低界面反應(yīng)的電流密度，進(jìn)而提高LiFePO4 的倍率放電性能。

2.4 不銹鋼集流體

不銹鋼是指含有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、鐵等元素的合金鋼，具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，可以耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的化學(xué)侵蝕。不銹鋼表面也容易形成鈍化膜，可以保護(hù)其表面不被腐蝕，同時(shí)不銹鋼可以比銅加工得更薄，具有成本低、工藝簡(jiǎn)單及大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。不銹鋼可以作為正極或負(fù)極的集流體，常見(jiàn)的不銹鋼集流體有不銹鋼網(wǎng)和多孔不銹鋼兩種類(lèi)型。

2. 4. 1 不銹鋼網(wǎng)集流體

不銹鋼網(wǎng)的質(zhì)地致密，作為集流體時(shí)，其表面被電極活性物質(zhì)包裹，基本不與電解液直接接觸，不易發(fā)生副反應(yīng)，有利于提高電池的循環(huán)性能。

2. 4. 2 多孔不銹鋼集流體

為了充分利用活性物質(zhì)、提高電極的放電比容量，一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法便是采用多孔集流體。

2.5 碳集流體

以碳材料作為正極或負(fù)極集流體時(shí)，可以避免電解液對(duì)金屬集流體的腐蝕，且其具有資源豐富、易加工、低電阻率、對(duì)環(huán)境無(wú)危害、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。

碳纖維布以其自身良好的柔軟性、導(dǎo)電性以及電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可用作柔性鋰離子電池的集流體。碳納米管是另一種形貌的碳集流體，相對(duì)于金屬集流體而言，其明顯的優(yōu)勢(shì)在于質(zhì)量輕巧，且可以大幅度提高電池的能量密度。

2.6 復(fù)合集流體

除了單一集流體如銅集流體、鋁集流體、鎳集流體、不銹鋼集流及碳集流體等受到廣泛關(guān)注外，近年來(lái)，復(fù)合集流體也引起了學(xué)者們的研究興趣，如導(dǎo)電樹(shù)脂、覆碳鋁箔及鈦鎳形狀記憶合金等。

2.6.1 導(dǎo)電樹(shù)脂集流體

聚乙烯(PE) 和酚醛樹(shù)脂(PF) 集流體是將導(dǎo)電填料與高分子樹(shù)脂基體復(fù)合而成。以PE 和PF作為基體材料，與導(dǎo)電填料( 石墨、碳黑) 均勻混合，制備了復(fù)合集流體，并研究它們的物理化學(xué)性能。石墨烯是一種由碳原子經(jīng)sp2雜化而形成的獨(dú)特的新型二維碳功能材料，具有超高的電導(dǎo)率、比表面積及機(jī)械強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)，既可以替代石墨作為鋰離子電池的負(fù)極活性物質(zhì)，也可以作為集流體材料。

2.6.2 鈦鎳形狀記憶合金集流體

鈦鎳形狀記憶合金是由鎳和鈦組成的二元合金，隨著外界溫度或所受壓力的改變可以在兩種不同的晶相之間相互轉(zhuǎn)化。鈦鎳形狀記憶合金能通過(guò)改變自身相態(tài)來(lái)抑制活性

物質(zhì)在充放電過(guò)程中的體積變化，提高電池的循環(huán)壽命。

2.6.3 覆碳鋁箔集流體

覆碳/鋁箔集流體即是將含碳復(fù)合層涂覆在鋁箔表面的復(fù)合集流體。其中，含碳層是由碳纖維與經(jīng)過(guò)分散劑處理后的導(dǎo)電碳黑顆粒而構(gòu)成，能夠與鋁箔緊密結(jié)合，提高電極的導(dǎo)電性和耐蝕性。

集流體是鋰離子電池中不可或缺的重要部件之一，具有承載電極活性物質(zhì)與匯集輸出電流的多重功能。由不同材料、不同生產(chǎn)工藝所制備的集流體的性能各有千秋，對(duì)鋰離子電池的影響也各不相同。

參考：劉松等《鋰離子電池集流體的研究進(jìn)展》

審核編輯 ：李倩