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3D泡沫集流體大幅提升鋰離子電池體積能量密度

時間:2018-08-07 09:57來源:新能源Leader 作者:綜合報道

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目前商業(yè)鋰離子電池普遍采用的集流體為Al箔和Cu箔，正負極活性物質(zhì)通過涂布工藝在集流體的表面形成二維膜，集流體與活性物質(zhì)膜之間只是通過有限的界面接觸，因此接觸阻抗較大，容易成為鋰離子電池倍率性能的限制因素。

集流體是鋰離子電池內(nèi)部重要的組成部分，正負極活性物質(zhì)中的電子通過集流體進入到外電路，并最終返回到另一側(cè)的活性物質(zhì)之中。目前商業(yè)鋰離子電池普遍采用的集流體為Al箔和Cu箔，正負極活性物質(zhì)通過涂布工藝在集流體的表面形成二維膜，集流體與活性物質(zhì)膜之間只是通過有限的界面接觸，因此接觸阻抗較大，容易成為鋰離子電池倍率性能的限制因素，例如我們在上一篇文章中曾經(jīng)提到過，韓國公州國立大學通過對Al箔表面氧化-腐蝕處理大幅增加了Al箔表面的粗燥程度，提升活性物質(zhì)與集流體之間的接觸面積，降低了接觸阻抗，減少了電池極化，大幅提升了LCO材料的倍率性能。

增加接觸面積是降低活性物質(zhì)與集流體之間接觸電阻的最為有效的方法，近日美國加州大學圣迭戈分校的Daniel J. Noelle等采用泡沫Al和泡沫Cu作為集流體，有效增加了活性物質(zhì)與集流體之間的接觸面積，從而能將鋰離子電池的涂布量提高到創(chuàng)紀錄的16.7mAh/cm2(138mg/cm2，普通高比能電池的兩倍)，鋰離子電池的體積能量密度提升達到22%，同時該電極結(jié)構(gòu)還改善了鋰離子電池的熱穩(wěn)定性，在外短路和擠壓測試中采用該結(jié)構(gòu)的電池產(chǎn)生的最高溫度僅為普通電池的25%。

實驗中采用的泡沫Al和泡沫Cu集流體來自日本住友電氣工業(yè)株式會社，泡沫Al的厚度為1mm，孔隙率為95%，孔密度為45PPI(每英寸孔的數(shù)量)，泡沫Cu的厚度也為1mm，孔隙率為94%，孔密度為105PPI。Daniel J. Noelle將鋰離子電池漿料填充在這些微孔之中，并在80℃下干燥24h，然后采用輥壓工藝將上述電極碾壓到600um，其中正極采用LiCoO2作為活性物質(zhì)，負極采用石墨作為活性物質(zhì)。

下圖為上述的電極組成的2032型扣式電池的倍率性能測試曲線，從圖中可以看到在0.38mA/cm2的電流密度下，單位面積的可逆容量達到16.7mAh/cm2，是普通高比能鋰離子電池的兩倍左右。但是電極的容量隨著倍率增加衰降較快，當放電電流提高到1.88mA/cm2后，電極的單位面積容量就下降到了5mAh/cm2。

下表中作者對比了普通商業(yè)2032型扣式電池和泡沫集流體2032扣式電池的電性能，從表中我們在重量能量密度上普通商業(yè)2032扣式電池更加具有優(yōu)勢，大約比泡沫集流體電池高11%，但是從體積能量密度上看，泡沫集流體電池則扳回一城，比商業(yè)2032扣式電池高22%。

泡沫集流體的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在提升體積能量密度上，泡沫集流體的結(jié)構(gòu)特點使得鋰離子電池的安全性得到了大幅提升，根據(jù)測試采用泡沫集流體的電池在外短路試驗中，開始3s的電流僅為普通商業(yè)電池的38%，在隨后的5min里更是下降到了普通商業(yè)鋰離子電池的14%，短路電流的下降也帶來了產(chǎn)熱的降低，在整個外短路試驗中電池的最高溫度僅為普通商業(yè)電池的25%。

Al的密度較輕，因此在微孔密度45PPI時金屬Al所占正極的比重僅為8%，但是微孔密度為105PPI的泡沫Cu卻占到了負極重量的38%以上，因此在實際應用中可以適當降低泡沫Cu的微孔密度和厚度，以提重量能量密度。

Daniel J. Noelle采用的泡沫Al、泡沫Cu作為鋰離子電池的集流體主要優(yōu)勢體現(xiàn)在高負載量上，達到了138mg/cm2，是普通Al箔、Cu箔集流體的負載量的兩倍以上，因此在體積能量密度上就體現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢，比普通商業(yè)鋰離子電池高出22%，但是由于泡沫Cu的重量比較大因此在重量能量密度上，采用泡沫集流體的電池要比普通商業(yè)鋰離子電池低11%左右。因此總的來看，泡沫Al、Cu集流體更加適合應用在一些對于鋰離子電池充放電倍率要求不高，但是對鋰離子電池體積限制比較大的領(lǐng)域，例如穿戴設備和微電子等領(lǐng)域。

(責任編輯：王杰)

文章標簽：鋰離子電池能量密度 3D泡沫集流體

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