详解锂离子电池的应用概况

锂离子电池作为新一代绿色高能可充电电池, 具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点, 在近10年来取得了飞速发展, 并以其卓越的高性价比优势在全球各国的笔记本电脑、移动电话、摄录机、武器装备等移动电子终端设备领域占据了主导地位, 被认为是21 世纪对国民经济和人民生活具有重要意义的高新技术产业。

 

图1为2001- 2006 年全球锂离子电池市场增长状况。2002年全球锂离子电池销量达到86亿块, 同比增长51%, 销售额达到28.18亿美元, 同比增长18%, 主要成长驱动力来自于手机市场, 其用量占全部销量的6成; 2003年全球销量达到12.55亿块, 同比增长45%, 但总体价格下降了16%, 销售额达到36.34亿美元, 同比增长29%; 2005年销量达到17.1亿块; 2006年保守估计达到了25亿块; 预计2010年全球销量超过30亿块, 其中动力电池和聚合物电池将成为新的增长点。

 

 

 

锂离子电池的迅猛发展带动了相关产业的发展。铜箔是制造锂离子电池负极集流体的关键材料, 其品质的好坏直接影响到锂离子电池的制作工艺、性能和生产成本。开展高性能、高附加值锂离子电池用铜箔的研究对铜箔工业、电子、通讯、能源、交通、航天、军事等产业的发展有重大意义。

 

锂离子电池用铜箔的性能要求

 

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。充电时加在电池两极的电势迫使正极的嵌锂化合物释放出锂离子, 通过隔膜后嵌入六方片层结构的石墨负极中; 放电时锂离子则从片层结构的石墨中析出, 重新和正极的嵌锂化合物结合, 锂离子的移动产生了电流。锂离子电池的结构和充放电过程化学反应原理虽然很简单, 然而在实际的商业化应用中需要考虑很多问题。例如, 正负极材料的导电性能、充放电电位、活性、脱插锂的结构稳定性能、倍率性能和安全性能等, 以及电解液的稳定性、导电性和环境适应性等。

 

除上述因素外, 锂离子电池的内阻必须足够小, 只有这样才能保证使用的可靠性和较长的循环寿命。这不仅取决于正负极活性, 而且与集流体有着相当大的关系。

 

锂离子电池集流体的主要材料是金属箔(如铜箔、铝箔), 其功用是将电池活性物质产生的电流汇集起来, 以便形成较大的电流输出, 因此集流体应与活性物质充分接触, 并且内阻应尽可能小, 这也是锂离子电池为什么选用价格较高的铜箔和铝箔的主要原因。铜箔具有良好的导电性、柔韧性和适中的电位,耐卷绕和辗压, 生产技术较成熟, 因而成为锂离子电池负极集流体的首选材料。

 

铜箔在锂离子电池中既是负极活性材料的载体,又是负极电子的收集与传导体, 因此对其有特殊的技术要求, 即必须具有良好的导电性, 表面能均匀地涂敷负极材料而不脱落, 并具有良好的耐蚀性。为了保证涂敷在电解铜箔上的负极材料不会脱落, 在制备时必须加入合适的粘结剂。据涂布在线了解，目前常用的粘结剂为PVDF、PTFE、SBR、LA133等, 其粘结强度不仅取决于粘合剂本身的物理化学性能, 而且与铜箔的表面特性有很大关系。涂层的粘结强度足够高时, 可防止充放电循环过程中负极的粉化脱落, 或因过度膨胀收缩而剥离基片, 降低循环容量保持率。反之, 如果粘结强度达不到要求, 则随着循环次数的增加, 因涂层剥离程度加重而使电池内阻抗不断增大, 循环容量下降加剧。这就要求锂离子电池用铜箔需要具有良好的亲水性。锂离子电池对电解铜箔的性能要求(企业推荐标准)见表1。