Az áramgyűjtő a lítium-ion akkumulátorok egyik nélkülözhetetlen alkatrésze. Nemcsak az aktív anyagot képes szállítani, hanem összegyűjti és kiadja az elektróda aktív anyaga által generált áramot is, ami elősegíti a lítium-ion akkumulátorok belső ellenállásának csökkentését, javítja a coulombos hatásfokát, a ciklusstabilitást és a sebességteljesítményt. akkumulátor.
Lítium-ion akkumulátoros áramgyűjtő
Elvileg egy ideális lítium-ion akkumulátoros áramgyűjtőnek meg kell felelnie a következő feltételeknek: (1) nagy vezetőképesség; (2) Jó kémiai és elektrokémiai stabilitás; (3) Nagy mechanikai szilárdság; (4) Jó kompatibilitás és kötési szilárdság az elektródák aktív anyagaival; (5) Olcsó és könnyen beszerezhető; (6) Könnyű.
A gyakorlati alkalmazásokban azonban a különböző áramgyűjtő anyagok még mindig különböző problémákkal küzdenek, így nem tudnak maradéktalanul megfelelni a fent említett többléptékű követelményeknek. A réz hajlamos az oxidációra nagyobb potenciáloknál, és alkalmas negatív elektródáram-gyűjtőként való használatra; Az alumínium, mint negatív elektróda áramgyűjtő, komolyabb korróziós problémával rendelkezik, és alkalmas pozitív elektróda áramgyűjtőként való használatra. Jelenleg a lítium-ion akkumulátorok áramkollektoraként használható anyagok közé tartoznak a fémvezető anyagok, például a réz, alumínium, nikkel és rozsdamentes acél, valamint a félvezető anyagok, például a szén, valamint a kompozit anyagok.
1.1 Réz áramgyűjtő
A réz kiváló fémvezető, vezetőképessége csak az ezüst után következik, és számos előnnyel rendelkezik, mint például a bőséges erőforrások, az alacsony költség és a könnyű hozzáférhetőség, valamint a jó alakíthatóság. Tekintettel azonban arra, hogy a réz hajlamos az oxidációra magasabb potenciálokon, gyakran használják áramgyűjtőként negatív elektródák aktív anyagokhoz, például grafithoz, szilíciumhoz, ónhoz és kobalt-ónötvözetekhez. A közönséges rézkollektorok közé tartozik a rézfólia, a rézhab, a rézháló és a háromdimenziós nanoréz kollektor.
1.1.1 Rézfólia áramgyűjtő
A rézfólia gyártási folyamata szerint tovább osztható hengerelt rézfóliára és elektrolitikus rézfóliára. Az elektrolitikus rézfóliához képest a hengerelt rézfólia nagyobb vezetőképességgel és jobb nyújtási hatással rendelkezik. Az alacsony görbületigényű lítium-ion akkumulátorok elektrolit rézfóliát választhatnak negatív elektróda áramgyűjtőként. A kutatások kimutatták, hogy a rézfólia felületének érdességének növelése jótékony hatással van az áramkollektor és az aktív anyag közötti kötési szilárdság javítására, csökkenti az aktív anyag és az áramkollektor közötti érintkezési ellenállást, és ennek megfelelően javítja a kisülési teljesítményt és a ciklust. az akkumulátor stabilitása.
1.1.2 hab réz kollektor
A rézhab egyfajta, a szivacshoz hasonló háromdimenziós hálózati anyag, amelynek számos előnye van, mint például a könnyű súly, a nagy szilárdság és a szívósság, valamint a nagy fajlagos felület. Bár a szilícium és az ón negatív elektróda aktív anyagok nagy elméleti fajlagos kapacitással rendelkeznek, és a lítium-ion akkumulátorok egyik ígéretes negatív elektróda aktív anyagának tekinthetők, hátrányaik is vannak, mint például a nagy térfogatváltozások és a ciklikus töltés/kisütés során bekövetkező porlódás. komolyan befolyásolja az akkumulátor teljesítményét. A kutatás azt mutatja, hogy a hab réz kollektor képes gátolni a szilícium és az ónanód aktív anyagainak térfogatváltozását a töltési és kisütési folyamat során, lelassítja a porlódási jelenséget, és ezáltal javítja az akkumulátor teljesítményét.
1.2 Alumínium áramgyűjtő
Bár az alumínium fém vezetőképessége alacsonyabb, mint a rézé, az alumíniumhuzal minősége ugyanannyi villamos energia szállítása esetén csak fele a rézhuzalnak. Kétségtelen, hogy az alumínium áramkollektorok használata javíthatja a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűségét. Ezenkívül a rézhez képest az alumínium olcsóbb. A lítium-ion akkumulátorok töltési/kisütési folyamata során az alumíniumfólia áramkollektor felületén sűrű oxidfilm képződik, amely javítja az alumíniumfólia korrózióállóságát, és gyakran használják a pozitív elektróda áramkollektoraként. lítium-ion akkumulátorok.
A rézfóliás áramgyűjtőkhöz hasonlóan a felületkezelés is javíthatja az alumíniumfólia felületi tulajdonságait. Egyenáramú maratás után méhsejt szerkezet alakul ki az alumínium fólia felületén, amely szorosabban kötődik a pozitív elektród aktív anyagához, és javítja a lítium-ion akkumulátorok elektrokémiai teljesítményét. Valójában azonban az alumínium áramgyűjtők gyakran súlyos korróziót szenvednek a felületi passzivációs fóliák tönkremenetele miatt, ami a lítium-ion akkumulátorok teljesítményének csökkenéséhez vezet. Ezért a maratott alumíniumfólia korrózióállóságának javítása érdekében szükséges a felület optimalizálása és stabilabb passzivációs film kialakítása.
1.3 Nikkel áramgyűjtő
Viszonylagosan elmondható, hogy a nikkel egy nem nemesfém, amelynek viszonylag alacsony az ára, jó a vezetőképessége és stabilitása savas és lúgos oldatokban. Ezért a nikkel pozitív elektróda áramgyűjtőként és negatív elektróda áramgyűjtőként is használható. Vannak pozitív elektródák aktív anyagok, például lítium-vas-foszfát, és negatív elektródák aktív anyagok, például nikkel-oxid, kén és szénszilícium kompozit anyagok, amelyek megfelelnek ennek.
A nikkelgyűjtő alakja általában hab nikkelt és nikkelfóliát tartalmaz. Mivel a habnikkel csatornákat és nagy érintkezési felületet alakított ki a hatóanyaggal, a hatóanyag és a kollektor közötti érintkezési ellenállás csökken. Ha nikkelfóliát használunk elektróda áramgyűjtőként, a töltési/kisütési ciklusok számának növekedésével az aktív anyag hajlamos a leválásra, ami befolyásolja az akkumulátor teljesítményét. Hasonlóképpen, a felület-előkezelési eljárás a nikkelfólia áramgyűjtőkre is alkalmazható. A nikkelfólia áramkollektor felületének maratása után jelentősen megnő a kötési szilárdság a hatóanyag és az áramgyűjtő között.
A nikkel-oxid előnye a stabil szerkezet, az alacsony ár és a nagy elméleti fajlagos kapacitás, így széles körben használt negatív elektródák aktív anyagai a lítium-ion akkumulátorokhoz. Ennek alapján szilárd fázisú oxidációs módszerrel a habnikkel felületére in situ nikkel-oxid réteget növesztettek, és nikkel-oxid anódot készítettek habnikkel gyűjtővel. A nikkelfólia/nikkel-oxid negatív elektródához képest a habnikkel/nikkel-oxid negatív elektróda első kisülésének fajlagos kapacitása jelentősen megnőtt. Ennek az az oka, hogy a kétdimenziós áramkollektorokhoz képest a háromdimenziós strukturált áramkollektorok csökkentik az interfész polarizációs jelenségeit és javítják az akkumulátorok töltési/kisütési ciklusának stabilitását.
A lítium-vas-foszfát ideális pozitív aktív anyag a nagy teljesítményű lítium-ion akkumulátorokhoz, jó biztonsága és széles körű nyersanyagforrása miatt. A hab nikkel kollektor felületére való bevonás növelheti a LiFePO4 és a hab nikkel közötti érintkezési felületet, csökkentheti az interfész reakció áramsűrűségét, és így javíthatja a LiFePO4 sebességű kisülési teljesítményét.
1.4 Rozsdamentes acél áramgyűjtő
A rozsdamentes acél olyan ötvözött acélra vonatkozik, amely olyan elemeket tartalmaz, mint a nikkel, molibdén, titán, nióbium, réz és vas. Jó vezetőképességgel és stabilitással rendelkezik, és ellenáll a gyenge korrozív közegek, például levegő, gőz és víz kémiai korróziójának, valamint az erős korrozív közegeknek, mint például a sav, lúg és só. A rozsdamentes acél felülete szintén hajlamos passzivációs film kialakulására, amely megvédi a felületét a korróziótól. Ugyanakkor a rozsdamentes acél vékonyabban feldolgozható, mint a réz, és olyan előnyökkel jár, mint az alacsony költség, az egyszerű eljárás és a nagyüzemi gyártás. A rozsdamentes acél pozitív vagy negatív áramgyűjtőként használható, és a rozsdamentes acél áramgyűjtők általános típusai közé tartozik a rozsdamentes acélháló és a porózus rozsdamentes acél.
1.4.1 Rozsdamentes acélhálós gyűjtőfolyadék
A rozsdamentes acél háló textúrája sűrű. Áramgyűjtőként használva a felületét elektródák aktív anyagok burkolják be, és nem érintkezik közvetlenül az elektrolittal, így kevésbé lesz kitéve a mellékreakcióknak, és javítja az akkumulátor teljesítményét.
1.4.2 Porózus rozsdamentes acél áramgyűjtő
Egy egyszerű és hatékony módszer az aktív anyagok teljes kihasználására és az elektródák kisülési fajlagos kapacitásának javítására a porózus áramkollektorok alkalmazása.
1.5 Szénáram gyűjtő
Ha szénanyagokat használ pozitív vagy negatív elektróda áramkollektorként, elkerülheti az elektrolit korrózióját a fém áramkollektorokon, és előnye a bőséges erőforrás, a könnyű feldolgozás, az alacsony ellenállás, a környezet károsítása és az alacsony ár.
A szénszálas szövet kiváló rugalmassága, vezetőképessége és elektrokémiai stabilitása miatt rugalmas lítium-ion akkumulátorok áramgyűjtőjeként használható. A szén-nanocsövek a szénáram-gyűjtők egy másik formája, amelyek nyilvánvaló előnyökkel bírnak a fém áramkollektorokkal szemben a könnyű súly tekintetében, és jelentősen javíthatják az akkumulátorok energiasűrűségét.
1.6 Kompozit áramgyűjtő
Az egyes kollektorok, például a rézkollektorok, az alumíniumkollektorok, a nikkelkollektorok, a rozsdamentes acél kollektorok és a szénkollektorok mellett a kompozit kollektorok is felkeltették a tudósok kutatási érdeklődését az elmúlt években, mint például a vezetőképes gyanták, szénnel bevont alumíniumfóliák és titán. nikkel alakú memóriaötvözetek.
1.6.1 Vezetőképes gyanta áramgyűjtő
A polietilén (PE) és a fenolgyanta (PF) áramkollektorok vezetőképes töltőanyagokból és polimer gyanta mátrixból állnak. PE és PF mátrixanyagként vezetőképes töltőanyagokkal (grafit, korom) egyenletes keverésével kompozit áramkollektort állítottunk elő, és megvizsgáltuk fizikai és kémiai tulajdonságaikat. A grafén egy egyedülálló és újszerű, kétdimenziós szénfunkcionális anyag, amely szénatomok sp2 hibridizációjával képződik. Számos előnye van, mint például az ultramagas vezetőképesség, a fajlagos felület és a mechanikai szilárdság. Kiválthatja a grafitot a lítium-ion akkumulátorok negatív elektródájaként vagy áramgyűjtő anyagként.
1.6.2 Titán nikkel alakú memória ötvözet áramgyűjtő
A titán-nikkel alakú memóriaötvözet egy nikkelből és titánból álló bináris ötvözet, amely a külső hőmérséklet vagy nyomás változásával két különböző kristályfázis között tud átalakulni. A titán-nikkel alakú memóriaötvözet saját fázisállapotának megváltoztatásával képes elnyomni az aktív anyagok térfogatváltozását a töltés és kisütés során, ezáltal javítva az akkumulátorok élettartamát.
1.6.3 Szénbevonatú alumínium fólia áramgyűjtő
Szénbevonatú/alumíniumfólia áramkollektor olyan kompozit áramkollektorra utal, amelyben széntartalmú kompozit réteget vonnak be az alumíniumfólia felületére. Közülük a széntartalmú réteget diszpergálószerekkel kezelt szénszálak és vezetőképes koromszemcsék alkotják, amelyek szorosan kombinálhatók alumíniumfóliával az elektróda vezetőképességének és korrózióállóságának javítása érdekében.
Az áramgyűjtő a lítium-ion akkumulátorok egyik nélkülözhetetlen és fontos alkatrésze, számos funkcióval rendelkezik az elektródák aktív anyagainak szállításában és a kimeneti áram gyűjtésében. A különböző anyagokból és gyártási folyamatokból készült áramkollektorok teljesítménye változó, és a lítium-ion akkumulátorokra gyakorolt hatásuk is eltérő.