锂离子电池用铜箔的发展方向有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-04-25 01:35
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锂离子电池是在锂电池基础上开发出的高能电池。锂离子电池的雏形为锂电池, 以金属锂作负极,由于在放电过程中电解液与锂反应, 在其表面形成锂枝晶, 刺穿电池隔膜, 严重影响锂离子电池的使用安全和循环性能 , 不能反复使用。由于锂在碳材料中的嵌入反应电位接近锂的电位, 且不容易与有机溶剂反应, 有很好的嵌脱锂性能, 故商业化锂离子电池广泛采用碳材料。1990 年日本Nagoura 等研制成以石油焦为负极的锂离子电池; 同年, Mo li和Sony 两大电池公司推出以碳为负极的锂离子电池; 1991 年日本Sony公司研发成功用聚糠醇树脂热解碳作负极的锂离子电池 , 从此开创了锂离子电池应用的新时期。
常规锂离子电池负极的组成为石墨+ 导电剂+粘结剂+ 集流体。石墨等负极材料需涂敷于导电集流体上, 经干燥、滚压、分切等工序制成负极电极; 然后与隔膜材料和正极电极一起进行卷绕或叠片构成锂离子电池。铜箔由于具有前面所述的一系列优点而成为锂离子电池负极集流体的首选材料。工业用铜箔分压延铜箔( RA 铜箔)与电解铜箔( ED 铜箔)两大类。压延铜箔具有较好的性能, 而电解铜箔的优势是成本较低。锂离子电池发展初期, 由于当时电解铜箔的性能较低, 电池厂家全部采用压延铜箔。但压延铜箔的生产工艺复杂、成本高, 且全球产能极度集中于少数几家公司(如日本的日矿( N ipponM in ing)、福田金属( Fukuda)、H itach iC able、M icrohard、美国的O lin brass)。近年来, 随着电解铜箔的物理、化学、机械和冶金性能的提高, 以及生产工艺简单、效率高、成本低等优势, 国内外大部分锂离子电池厂家都改用电解铜箔制作电池负极集流体, 但有些类型的高性能电池仍选用压延铜箔。电解铜箔有多种类型, 如高延伸率型、单面毛型、双面毛型、双面光型、双面粗化型等。压延铜箔和电解铜箔主要技术指标对比见表2 。
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
