1樓：宮非
2020-11-09
集流體的作用主要就是導電，對於鋰離子電池來說，通常使用的正極集流體是鋁箔，負極集流體是銅箔，為了保證集流體在電池內部穩定性，二者純度都要求在98% 以上。而作為鋰電池的理想集流體需滿足以下條件，包括：高電導率、高穩定性、結合性強、成本低廉及柔韌輕薄。
其中，良好的電導率有利於電子的傳輸，提高鋰離子電池的比容量和倍率效能等。
圖 1.一般採用鋁箔為正極的集流體，銅箔為負極的集流體。
影響鋰離子電池倍率效能的因素主要是「極化」，極化會導致鋰離子電池的工作狀態偏離穩態，表現在實際中就是隨著極化的增大電池的電壓平台下降（放電時），放電容量降低。通常而言，引起鋰離子電池極化的因素主要有：
1). 歐姆極化：也就是電池內部活性物質顆粒之間、活性物質與集流體之間接觸電子阻抗，隨著電流增大由這些因素導致的電壓衰降明顯增加；
2). 濃差極化：鋰離子電池正負極都為多孔結構電極，電極內部的複雜多孔結構會造成 擴散速度較慢，產生濃度梯度，此外在固相中的擴散速度較慢也容易成為限制環節。
電化學反應中正極活性物質顆粒內部的電子需要經過顆粒之間的傳輸後匯流到集流體上，然後通過外部電路傳導到負極，完成乙個完整的電化學反應。因此活性物質與集流體之間的電子傳導成為了電化學反應中的重要一環，2018 年，日本早稻田大學的Hiroki Nara 和 Tetsuya Osaka 等人通過EIS 手段分析了壓實密度和Al 箔表面導電塗層對活性物質與集流體之間的接觸電阻之間的影響，研究表明適當的壓實密度和塗炭Al 箔，會顯著的提公升 LCO 電極的倍率效能。
Fig. 3 (a) Charge–discharge properties of pouch-type full cells for the preparation of symmetric cells with various LiCoO2 cathodes. (b) Nyquist plots of pouch-type symmetric cells composed of cathodes.
(c) Enlarged Nyquist plots of pouch-type symmetric cells composed of cathode
Hiroki Nara 的工作表明適當的壓實密度（厚度下降 20% 左右）對於提公升 LCO 電極的倍率效能是十分必要的，適當的壓實密度能夠改善 LCO 顆粒之間、LCO 顆粒與集流體之間接觸，從而有效的降低的接觸電阻，提公升電極的倍率效能，此外塗炭Al 箔能夠顯著的降低LCO 活性物質與集流體之間的接觸阻抗，降低電池極化，對於提公升LCO 電池的倍率效能具有明顯的作用。
Fig. 4. (a) Charge–discharge curves of pouch-type full cells for the preparation of symmetric cells with cathodes.
(b) Nyquist plots of pouch-type symmetric cells with cathodes.
圖 5.石墨烯散熱負極集流體。
目前，幾乎所有的商業化鋰離子電池使用的正極集流體都是鋁箔，而負極集流體都是銅箔。值得指出的是， 相對於 的熱力學電位僅僅是1.38V，遠遠低於通常鋰離子正極材料的電化學視窗（2.
5-5.0V）。這意味著鋁做正極集流體在熱力學上是電化學不穩定的，鋁箔之所以可以用作正極集流體是因為其表面存在的緻密的氧化層，氧化層的存在部分克服了鋁熱力學上的電化學不穩定性，提公升了鋁箔做正極集流體的動力學穩定性。
但是，鋁箔正極集流體在電池長期迴圈過程中依然存在局域的陽極腐蝕，鋁箔集流體的電化學腐蝕可導致活性物質的脫落，並引發一系列的副反應，嚴重時產生的鋁碎片可引發內短路，導致電池的失效。已有大量文獻指出，鋁箔集流體的電化學腐蝕是導致電池長期迴圈效能衰減的重要因素，尤其是在使用高電壓工作的正極材料時，鋁箔的腐蝕效應將更為顯著。
Figure 6. Schematic illustration of graphene-armored aluminum foil with enhanced anticorro- sion property as current collectors for LIBs.
彭海琳（2017）等利用等離子體輔助化學氣相沉積（PECVD）法，直接在鋁箔上生長多層石墨烯薄膜作為保護層，並證明了其在 和LiTFSI 基電解液中，能有效地改善鋁箔集流體的抗腐蝕效能。文章對比了普通鋁箔（PA）和石墨烯保護的鋁箔（GA）分別作為 （LMO）正極的集流體時的電化學效能，發現在 0.5C、950h 的迴圈充放電後，使用石墨烯保護的鋁箔作為集流體的 LMO 容量保持率達 91%，明顯優於普通鋁箔的 75%。
另外，使用石墨烯保護的鋁集流體後，LMO 的自放電被抑制，其倍率效能也得到改善
Ref.:
1). Journal of Power Sources, 2018, 409: 139-147.
| DOI.: 10.1016/j.
jpowsour.2018.09.
014.
2). Advanced Materials, 2017, 1703882. | DOI.: 10.1002/adma.201703882.分類：
科普>>
能源>>技術
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