為什么鋰離子電池集流體正極需用鋁箔，負(fù)極要用銅箔

簡(jiǎn)單點(diǎn)說，電池集流體的選擇遵循3個(gè)原則：導(dǎo)電性、成本、電化學(xué)原則，分別如下：

1、導(dǎo)電性原則，導(dǎo)電性越強(qiáng)越好；
2、成本，越低越好。常見金屬中，銅和鋁都是符合集流體材料的，銅比鋁貴，能用鋁就不用銅；
3、正極不能用銅箔，是因?yàn)樵诟唠娢幌裸~箔很容易被氧化，氧化銅是不導(dǎo)電的；負(fù)極不能用鋁箔，是因?yàn)樵诘碗娢幌落X箔和鋰很容易形變鋰鋁合金。

 

特別要注意的是：只有負(fù)極是石墨或者硅碳體系，負(fù)極集流體采用銅箔；對(duì)于鈉離子電池和鈦酸鋰電池，負(fù)極箔材都用鋁箔，鋁殼都帶負(fù)電，降低殼體與卷芯短路的風(fēng)險(xiǎn)（卷芯最外圈是負(fù)極）。

 

詳細(xì)一點(diǎn)的話，就稍微復(fù)雜點(diǎn)，有興趣的同學(xué)可以繼續(xù)看下面內(nèi)容。

 

鋰離子電池通常使用的正極集流體是鋁箔，負(fù)極集流體是銅箔。集流體的主要作用就是導(dǎo)電。這與我們電線的材料類似也是用銅絲或者鋁絲。因?yàn)閷?dǎo)體依導(dǎo)電系數(shù)大小可排列為銀→銅→金→鋁→鎢→鎳→鐵。

 

最好的肯定是銀，但是貴金屬元素畢竟稀有，而世界上銅和鋁元素資源豐富，價(jià)格也相對(duì)便宜。在鋰電池制備過程中，我們主要有卷繞和疊片兩種加工方式。相對(duì)于卷繞來說，需要用于制備電池的極片具有一定的柔軟性，才能保證極片在卷繞時(shí)不發(fā)生脆斷等問題，而金屬材料中，銅鋁箔是質(zhì)地較軟的金屬。

另一方面，銅鋁箔在空氣中也相對(duì)比較穩(wěn)定。鋁很容易跟空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鋁表面層生成一層致密的氧化膜，阻止鋁的進(jìn)一步反應(yīng)，而這層很薄的氧化膜在電解液中對(duì)鋁也有一定的保護(hù)作用。銅在空氣中本身比較穩(wěn)定，在干燥的空氣中基本不反應(yīng)。

 

銅/鎳表面氧化層屬于半導(dǎo)體，電子導(dǎo)通；而鋁表面氧化層氧化鋁屬絕緣體，氧化層不能導(dǎo)電，但由于其很薄，通過隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子電導(dǎo)，若氧化層較厚，阻抗較大，導(dǎo)電性能差，甚至絕緣。

 

一般集流體在使用前最好要經(jīng)過表面清洗，一方面洗去油污，同時(shí)可除去厚氧化層。鋰電池正負(fù)極電位決定正極用鋁箔，負(fù)極用銅箔，而非反過來。正極電位高，銅/鎳箔氧化層較疏松些，在高電位下很容易被氧化，而鋁的氧化電位高，且鋁箔表層有致密的氧化膜，對(duì)內(nèi)部的鋁也有較好的保護(hù)作用。

 

另外一點(diǎn)就是鋁在低電位下與鋰會(huì)發(fā)生合金化反應(yīng)（例如負(fù)極為鋰0 V或石墨0.2 V）因而被消耗。金屬鋁的晶格八面體空隙大小與Li 大小相近，極易與Li形成金屬間隙化合物，Li 和Al不僅形成了化學(xué)式為LiAl的合金，還有可能形成了Li₃Al₂或 Li₄Al₃。

由于金屬Al與Li 反應(yīng)的高活潑性，使金屬Al消耗了大量的Li，本身的結(jié)構(gòu)和形態(tài)也遭到破壞，故不能作為鋰離子電池負(fù)極的集流體；而Cu在電池充放電過程中，只有很少的嵌鋰容量，并且保持了結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的穩(wěn)定，可作為鋰離子電池負(fù)極的集流體；但是若銅/鎳表面大量氧化，在稍高電位下Li會(huì)與氧化銅/鎳發(fā)生嵌鋰反應(yīng)，Cu箔在3.75V時(shí)，極化電流開始顯著增大，并且呈直線上升，氧化加劇，表明Cu在此電位下開始不穩(wěn)定；而鋁箔在整個(gè)極化電位區(qū)間，極化電流較小，并且恒定，沒有觀察到明顯腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，保持了電化學(xué)性能的穩(wěn)定。由于在鋰離子電池正極電位區(qū)間，Al的嵌鋰容量較小，并且能夠保持電化學(xué)穩(wěn)定，適合作鋰離子電池的正極集流體。如果使用高電位負(fù)極（鈦酸鋰1.5 V）的話，集流體也是可以用鋁箔的。

 

鋰電用銅鋁箔純度要求：

 

為了保證集流體在電池內(nèi)部穩(wěn)定性，二者純度都要求在98%以上。Al的成分不純會(huì)導(dǎo)致表面膜不致密而發(fā)生點(diǎn)腐蝕，更甚由于表面膜的破壞導(dǎo)致生成 LiAl合金。

 

鋰電用銅鋁箔厚度要求：

 

隨著近些年鋰電迅猛發(fā)展，鋰電池用集流體發(fā)展也很快。正極鋁箔由前幾年的16um降低到14um，再到 12um，現(xiàn)在已經(jīng)不少電池生產(chǎn)廠家已經(jīng)量產(chǎn)使用10um的鋁箔，甚至用到8um 。而負(fù)極用銅箔，由于本身銅箔柔韌性較好，其厚度由之前 12um降低到10um，再到8um ，到目前有很大部分電池廠家量產(chǎn)用 6um，以及部分廠家正在開發(fā)的5um/4um都是有可能使用的。

 

由于鋰電池對(duì)于使用的銅鋁箔純度要求高，材料的密度基本在同一水平，隨著開發(fā)厚度的降低，其面密度也相應(yīng)降低，電池的重量自然也是越來越小，符合我們對(duì)于鋰電池的需求。

鋰電用銅鋁箔表面粗糙度要求:

 

對(duì)于集流體，除了其厚度重量對(duì)鋰電池有影響外，集流體表面性能對(duì)電池的生產(chǎn)及性能也有較大的影響。尤其是負(fù)極集流體，由于制備技術(shù)的缺陷，市場(chǎng)上的銅箔以單面毛、雙面毛、雙面粗化品種為主。

 

這種兩面結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致負(fù)極兩面涂層接觸電阻不對(duì)稱，進(jìn)而使兩面負(fù)極容量不能均勻釋放；同時(shí)，兩面不對(duì)稱也引發(fā)負(fù)極涂層粘結(jié)強(qiáng)度不一致，使兩面負(fù)極涂層充放電循環(huán)壽命嚴(yán)重失衡，進(jìn)而加快電池容量的衰減。

 

總而言之，影響集流體的使用條件包括它的導(dǎo)電性、柔軟性以及適用電位等因素。

 

這些知識(shí)，在電池廠商里，特別是技術(shù)人員眼中，是比較簡(jiǎn)單的，但是對(duì)很多非專業(yè)人士而言，還是較為神秘，這里做一個(gè)科普，希望對(duì)大家有所幫助。隨便，給大家介紹一個(gè)在電池行業(yè)里已經(jīng)深耕22年的老牌電池廠商，他們?cè)陔姵刂圃旃に?、技術(shù)等方面有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也是我國內(nèi)唯一一家集鋰電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鋅離子電池和戶外儲(chǔ)能產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的電池制造企業(yè)，這就是倍特力電池有限公司（ BPI），公司成立于2002年，總部位于深圳市龍華區(qū)同富邨工業(yè)園；簡(jiǎn)稱江西倍特力是其制造基地 ，位于江西省宜春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)春順路 999號(hào)。江西倍特力占地面積200畝，在宜春經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)連續(xù)四年進(jìn)入全省工業(yè)園區(qū)行列，是江西省產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)“十個(gè)千億工程”園區(qū)、江西省十個(gè)生態(tài)工業(yè)園區(qū)試點(diǎn)單位和江西省省級(jí)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)集聚區(qū)。如果有電池方面的需求，相信倍特力能滿足！