鋰離子電池用銅箔的發(fā)展方向有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-25 01:35
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鋰離子電池是在鋰電池基礎上開發(fā)出的高能電池。鋰離子電池的雛形為鋰電池, 以金屬鋰作負極,由于在放電過程中電解液與鋰反應, 在其表面形成鋰枝晶, 刺穿電池隔膜, 嚴重影響鋰離子電池的使用安全和循環(huán)性能 , 不能反復使用。由于鋰在碳材料中的嵌入反應電位接近鋰的電位, 且不容易與有機溶劑反應, 有很好的嵌脫鋰性能, 故商業(yè)化鋰離子電池廣泛采用碳材料。1990 年日本Nagoura 等研制成以石油焦為負極的鋰離子電池; 同年, Mo li和Sony 兩大電池公司推出以碳為負極的鋰離子電池; 1991 年日本Sony公司研發(fā)成功用聚糠醇樹脂熱解碳作負極的鋰離子電池 , 從此開創(chuàng)了鋰離子電池應用的新時期。
常規(guī)鋰離子電池負極的組成為石墨+ 導電劑+粘結(jié)劑+ 集流體。石墨等負極材料需涂敷于導電集流體上, 經(jīng)干燥、滾壓、分切等工序制成負極電極; 然后與隔膜材料和正極電極一起進行卷繞或疊片構(gòu)成鋰離子電池。銅箔由于具有前面所述的一系列優(yōu)點而成為鋰離子電池負極集流體的首選材料。工業(yè)用銅箔分壓延銅箔( RA 銅箔)與電解銅箔( ED 銅箔)兩大類。壓延銅箔具有較好的性能, 而電解銅箔的優(yōu)勢是成本較低。鋰離子電池發(fā)展初期, 由于當時電解銅箔的性能較低, 電池廠家全部采用壓延銅箔。但壓延銅箔的生產(chǎn)工藝復雜、成本高, 且全球產(chǎn)能極度集中于少數(shù)幾家公司(如日本的日礦( N ipponM in ing)、福田金屬( Fukuda)、H itach iC able、M icrohard、美國的O lin brass)。近年來, 隨著電解銅箔的物理、化學、機械和冶金性能的提高, 以及生產(chǎn)工藝簡單、效率高、成本低等優(yōu)勢, 國內(nèi)外大部分鋰離子電池廠家都改用電解銅箔制作電池負極集流體, 但有些類型的高性能電池仍選用壓延銅箔。電解銅箔有多種類型, 如高延伸率型、單面毛型、雙面毛型、雙面光型、雙面粗化型等。壓延銅箔和電解銅箔主要技術(shù)指標對比見表2 。
鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜和電解液組成。充電時加在電池兩極的電勢迫使正極的嵌鋰化合物釋放出鋰離子, 通過隔膜后嵌入六方片層結(jié)構(gòu)的石墨負極中; 放電時鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的石墨中析出, 重新和正極的嵌鋰化合物結(jié)合, 鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和充放電過程化學反應原理雖然很簡單, 然而在實際的商業(yè)化應用中需要考慮很多問題。例如, 正負極材料的導電性能、充放電電位、活性、脫插鋰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能、倍率性能和安全性能等, 以及電解液的穩(wěn)定性、導電性和環(huán)境適應性等。
除上述因素外, 鋰離子電池的內(nèi)阻必須足夠小, 只有這樣才能保證使用的可靠性和較長的循環(huán)壽命。這不僅取決于正負極活性, 而且與集流體有著相當大的關系。
鋰離子電池集流體的主要材料是金屬箔(如銅箔、鋁箔), 其功用是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來, 以便形成較大的電流輸出, 因此集流體應與活性物質(zhì)充分接觸, 并且內(nèi)阻應盡可能小, 這也是鋰離子電池為什么選用價格較高的銅箔和鋁箔的主要原因。銅箔具有良好的導電性、柔韌性和適中的電位,耐卷繞和輾壓, 生產(chǎn)技術(shù)較成熟, 因而成為鋰離子電池負極集流體的首選材料。
銅箔在鋰離子電池中既是負極活性材料的載體,又是負極電子的收集與傳導體, 因此對其有特殊的技術(shù)要求, 即必須具有良好的導電性, 表面能均勻地涂敷負極材料而不脫落, 并具有良好的耐蝕性。為了保證涂敷在電解銅箔上的負極材料不會脫落, 在制備時必須加入合適的粘結(jié)劑。據(jù)涂布在線了解，目前常用的粘結(jié)劑為PVDF、PTFE、SBR、LA133等, 其粘結(jié)強度不僅取決于粘合劑本身的物理化學性能, 而且與銅箔的表面特性有很大關系。涂層的粘結(jié)強度足夠高時, 可防止充放電循環(huán)過程中負極的粉化脫落, 或因過度膨脹收縮而剝離基片, 降低循環(huán)容量保持率。反之, 如果粘結(jié)強度達不到要求, 則隨著循環(huán)次數(shù)的增加, 因涂層剝離程度加重而使電池內(nèi)阻抗不斷增大, 循環(huán)容量下降加劇。這就要求鋰離子電池用銅箔需要具有良好的親水性。鋰離子電池對電解銅箔的性能要求
