El colector de corriente es uno de los componentes indispensables de las baterías de iones de litio. No solo puede transportar el material activo, sino también recolectar y emitir la corriente generada por el material activo del electrodo, lo que favorece la reducción de la resistencia interna de las baterías de iones de litio, mejorando la eficiencia coulómbica, la estabilidad del ciclo y el rendimiento de la velocidad del batería.
Colector de corriente de batería de iones de litio
En principio, un colector de corriente ideal para una batería de iones de litio debe cumplir las siguientes condiciones: (1) alta conductividad; (2) Buena estabilidad química y electroquímica; (3) Alta resistencia mecánica; (4) Buena compatibilidad y fuerza de unión con materiales activos de electrodos; (5) Barato y fácil de conseguir; (6) Ligero.
Sin embargo, en aplicaciones prácticas, diferentes materiales colectores de corriente todavía tienen varios problemas, por lo que no pueden cumplir completamente con los requisitos de múltiples escalas mencionados anteriormente. El cobre es propenso a la oxidación a potenciales más altos y es adecuado para su uso como colector de corriente de electrodo negativo; El aluminio, como colector de corriente de electrodo negativo, tiene un problema de corrosión más grave y es adecuado para su uso como colector de corriente de electrodo positivo. En la actualidad, los materiales que se pueden utilizar como colectores de corriente para baterías de iones de litio incluyen materiales conductores metálicos como cobre, aluminio, níquel y acero inoxidable, materiales semiconductores como el carbono y materiales compuestos.
1.1 Colector de corriente de cobre
El cobre es un excelente conductor metálico con una conductividad superada solo por la plata y tiene muchas ventajas, como recursos abundantes, bajo costo y fácil disponibilidad, y buena ductilidad. Sin embargo, teniendo en cuenta que el cobre es propenso a la oxidación a potenciales más altos, a menudo se utiliza como colector de corriente para materiales activos de electrodos negativos como grafito, silicio, estaño y aleaciones de cobalto y estaño. Los colectores de cobre comunes incluyen láminas de cobre, espuma de cobre, malla de cobre y colectores tridimensionales de nanocobre.
1.1.1 Colector de corriente de lámina de cobre
Según el proceso de producción de la lámina de cobre, se puede dividir en láminas de cobre laminadas y láminas de cobre electrolítico. En comparación con la lámina de cobre electrolítico, la lámina de cobre laminada tiene mayor conductividad y mejor efecto de extensión. Las baterías de iones de litio con bajos requisitos de curvatura pueden elegir una lámina de cobre electrolítico como colector de corriente del electrodo negativo. Las investigaciones han demostrado que aumentar la rugosidad de la superficie de la lámina de cobre es beneficioso para mejorar la fuerza de unión entre el colector de corriente y el material activo, reducir la resistencia de contacto entre el material activo y el colector de corriente y, en consecuencia, mejorar el rendimiento y el ciclo de descarga. Estabilidad de la batería.
1.1.2 colector de cobre espumado
El cobre espumado es un tipo de material de red tridimensional similar a la esponja, que tiene muchas ventajas, como peso ligero, alta resistencia y tenacidad, y una gran superficie específica. Aunque los materiales activos de electrodos negativos de silicio y estaño tienen una alta capacidad teórica específica y se consideran uno de los materiales activos de electrodos negativos prometedores para baterías de iones de litio, también tienen desventajas como grandes cambios de volumen y pulverización durante la carga/descarga cíclica, que afectar seriamente el rendimiento de la batería. La investigación muestra que el colector de espuma de cobre puede inhibir el cambio de volumen de los materiales activos del ánodo de silicio y estaño durante el proceso de carga y descarga, ralentizar el fenómeno de pulverización y así mejorar el rendimiento de la batería.
1.2 Colector de corriente de aluminio
Aunque la conductividad del aluminio metálico es menor que la del cobre, la calidad del alambre de aluminio es solo la mitad que la del alambre de cobre cuando se transporta la misma cantidad de electricidad. Sin duda, el uso de colectores de corriente de aluminio puede ayudar a mejorar la densidad energética de las baterías de iones de litio. Además, en comparación con el cobre, el aluminio tiene un precio más económico. Durante el proceso de carga/descarga de las baterías de iones de litio, se forma una densa película de óxido en la superficie del colector de corriente de papel de aluminio, lo que mejora la resistencia a la corrosión del papel de aluminio y se utiliza a menudo como colector de corriente para el electrodo positivo en baterías de iones de litio.
Al igual que los colectores de corriente con láminas de cobre, el tratamiento de la superficie también puede mejorar las propiedades de la superficie de la lámina de aluminio. Después del grabado con corriente continua, se formará una estructura de panal en la superficie del papel de aluminio, que está más estrechamente unida al material activo del electrodo positivo y mejora el rendimiento electroquímico de las baterías de iones de litio. Sin embargo, de hecho, los colectores de corriente de aluminio a menudo sufren una corrosión severa debido a la destrucción de las películas de pasivación de la superficie, lo que conduce a una disminución en el rendimiento de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, para mejorar la resistencia a la corrosión del papel de aluminio grabado, es necesario optimizar su superficie y formar una película de pasivación más estable.
1.3 Colector de corriente de níquel
Relativamente hablando, el níquel es un metal base con un precio relativamente bajo, buena conductividad y estabilidad en soluciones ácidas y alcalinas. Por lo tanto, el níquel se puede utilizar como colector de corriente de electrodo positivo y como colector de corriente de electrodo negativo. Hay materiales activos de electrodos positivos, como el fosfato de hierro y litio, y materiales activos de electrodos negativos, como materiales compuestos de óxido de níquel, azufre y silicio de carbono que coinciden.
La forma del colector de níquel generalmente incluye espuma de níquel y lámina de níquel. Debido a que la espuma de níquel ha desarrollado canales y una gran superficie de contacto con la sustancia activa, se reduce la resistencia de contacto entre la sustancia activa y el colector. Cuando se utiliza lámina de níquel como colector de corriente del electrodo, a medida que aumenta el número de ciclos de carga/descarga, el material activo es propenso a desprenderse, lo que afecta el rendimiento de la batería. De manera similar, el proceso de pretratamiento de la superficie también es aplicable a los colectores de corriente de lámina de níquel. Después de grabar la superficie del colector de corriente de lámina de níquel, la fuerza de unión entre la sustancia activa y el colector de corriente aumenta significativamente.
El óxido de níquel tiene las ventajas de una estructura estable, un precio bajo y una capacidad específica teórica alta, lo que lo convierte en un material activo de electrodo negativo ampliamente utilizado para baterías de iones de litio. En base a esto, se hizo crecer in situ una capa de óxido de níquel sobre la superficie de la espuma de níquel mediante el método de oxidación en fase sólida, y se preparó un ánodo de óxido de níquel con espuma de níquel como colector. En comparación con el electrodo negativo de lámina de níquel/óxido de níquel, la capacidad específica de la primera descarga del electrodo negativo de espuma de níquel/óxido de níquel aumentó significativamente. La razón es que, en comparación con los colectores de corriente bidimensionales, los colectores de corriente estructurados tridimensionales reducen los fenómenos de polarización de la interfaz y mejoran la estabilidad del ciclo de carga/descarga de las baterías.
El fosfato de hierro y litio se considera un material activo positivo ideal para las baterías de iones de litio debido a su buena seguridad y su amplia fuente de materias primas. Recubrirlo sobre la superficie del colector de espuma de níquel puede aumentar el área de contacto entre LiFePO4 y espuma de níquel, reducir la densidad de corriente de la reacción de la interfaz y, por lo tanto, mejorar el rendimiento de descarga de LiFePO4.
1.4 Colector de corriente de acero inoxidable
El acero inoxidable se refiere al acero aleado que contiene elementos como níquel, molibdeno, titanio, niobio, cobre y hierro. Tiene buena conductividad y estabilidad y puede resistir la corrosión química de medios corrosivos débiles como aire, vapor y agua, así como medios corrosivos fuertes como ácidos, álcalis y sal. La superficie de acero inoxidable también es propensa a formar una película de pasivación, que puede proteger su superficie de la corrosión. Al mismo tiempo, el acero inoxidable se puede procesar con una capa más delgada que el cobre, con ventajas como el bajo costo, el proceso simple y la producción a gran escala. El acero inoxidable se puede utilizar como colector de corriente positivo o negativo, y los tipos comunes de colectores de corriente de acero inoxidable incluyen malla de acero inoxidable y acero inoxidable poroso.
1.4.1 Fluido colector de malla de acero inoxidable
La textura de la malla de acero inoxidable es densa. Cuando se utiliza como colector de corriente, su superficie está envuelta por materiales activos de electrodos y no entra en contacto directo con el electrolito, lo que la hace menos propensa a reacciones secundarias y mejora el rendimiento cíclico de la batería.
1.4.2 Colector de corriente poroso de acero inoxidable
Un método simple y eficaz para utilizar completamente los materiales activos y mejorar la capacidad específica de descarga de los electrodos es utilizar colectores de corriente porosos.
1.5 Colector de corriente de carbono
Cuando se utilizan materiales de carbono como colectores de corriente de electrodos positivos o negativos, se puede evitar la corrosión del electrolito en los colectores de corriente metálicos y tiene las ventajas de recursos abundantes, fácil procesamiento, baja resistividad, no daña el medio ambiente y tiene un precio bajo.
La tela de fibra de carbono se puede utilizar como colector de corriente para baterías flexibles de iones de litio debido a su excelente flexibilidad, conductividad y estabilidad electroquímica. Los nanotubos de carbono son otra forma de colector de corriente de carbono, que tienen ventajas obvias sobre los colectores de corriente metálicos en términos de peso ligero y pueden mejorar significativamente la densidad de energía de las baterías.
1.6 Colector de corriente compuesto
Además de los colectores individuales, como los de cobre, los de aluminio, los de níquel, los de acero inoxidable y los de carbono, en los últimos años también han atraído el interés de los investigadores los colectores compuestos, como las resinas conductoras, las láminas de aluminio recubiertas de carbono y el titanio. Aleaciones de níquel con memoria de forma.
1.6.1 Colector de corriente de resina conductora
Los colectores de corriente de polietileno (PE) y resina fenólica (PF) están compuestos de rellenos conductores y una matriz de resina polimérica. Se preparó un colector de corriente compuesto mezclando uniformemente PE y PF como materiales de matriz con cargas conductoras (grafito, negro de humo), y se estudiaron sus propiedades físicas y químicas. El grafeno es un material funcional de carbono bidimensional único y novedoso formado por hibridación sp2 de átomos de carbono. Tiene muchas ventajas, como conductividad ultraalta, área de superficie específica y resistencia mecánica. Puede reemplazar al grafito como material activo del electrodo negativo de las baterías de iones de litio o como material colector de corriente.
1.6.2 Colector de corriente de aleación con memoria de forma de níquel y titanio
La aleación de titanio con memoria de forma de níquel es una aleación binaria compuesta de níquel y titanio, que puede transformarse entre dos fases cristalinas diferentes con cambios en la temperatura o presión externa. La aleación de titanio y níquel con memoria de forma puede suprimir el cambio de volumen de las sustancias activas durante la carga y descarga al cambiar su propio estado de fase, mejorando así el ciclo de vida de las baterías.
1.6.3 Colector de corriente de papel de aluminio recubierto de carbono
El colector de corriente recubierto de carbono/lámina de aluminio se refiere a un colector de corriente compuesto en el que una capa compuesta que contiene carbono está recubierta sobre la superficie de una lámina de aluminio. Entre ellos, la capa que contiene carbono está compuesta de fibras de carbono y partículas conductoras de negro de humo tratadas con dispersantes, que pueden combinarse estrechamente con papel de aluminio para mejorar la conductividad y la resistencia a la corrosión del electrodo.
El colector de corriente es uno de los componentes importantes e indispensables de las baterías de iones de litio, con múltiples funciones de transporte de materiales activos de electrodos y recolección de corriente de salida. El rendimiento de los colectores de corriente preparados a partir de diferentes materiales y procesos de producción varía, y su impacto en las baterías de iones de litio también es diferente.