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    详解锂离子电池负极用铜箔原因

    2022-05-26 17:27:40

        关于锂离子电池来说,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离子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,而在集流体这块最重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何用铝箔,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。


       我们都了解,锂离子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,我们要一种介质把化学能转化的电能传递出来,这里就要导电的材料。而在普通材料中,金属材料是导电性非常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,在锂离子电池中,我们重要有卷绕和叠片两种加工方式。相关于卷绕来说,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比较较稳定。


       低温磷酸铁锂电池3.2V 20A 


       低温磷酸铁锂电池3.2V 20A


       -20℃充电,-40℃ 3C放电容量≥70%


       充电温度:-20~45℃


       -放电温度:-40~+55℃


       -40℃支持放电倍率:3C


       -40℃ 3C放电容量保持率≥70%


       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用途。铜在空气中本身比较稳定,在干燥的空气中基本不反应。


       三是锂离子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用途。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要经过表面清洗,一方面洗去油污,同时可除去厚氧化层。


       低温高能量密度18650 3350mAh


       低温高能量密度18650 3350mAh


       -40℃ 0.5C放电容量≥60%


       充电温度:0~45℃


       放电温度:-40~+55℃


       比能量:240Wh/kg


       -40℃放电容量保持率:0.5C放电容量≥60%


       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。


       四、集流体要求成分纯。Al的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀,更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAl合金。


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