Колектор струје је једна од незаменљивих компоненти у литијум-јонским батеријама. Не само да може да носи активни материјал, већ и да прикупља и одводи струју коју генерише активни материјал електроде, што је погодно за смањење унутрашњег отпора литијум-јонских батерија, побољшавајући куломбичку ефикасност, стабилност циклуса и перформансе брзине. батерија.
Колектор струје литијум-јонске батерије
У принципу, идеалан колектор струје литијум-јонске батерије треба да испуњава следеће услове: (1) висока проводљивост; (2) Добра хемијска и електрохемијска стабилност; (3) Висока механичка чврстоћа; (4) Добра компатибилност и снага везивања са активним материјалима електроде; (5) Јефтино и лако за набавку; (6) Лагана.
Међутим, у практичним применама, различити материјали струјних колектора и даље имају различите проблеме, тако да не могу у потпуности да испуне захтеве за више скала које су горе поменуте. Бакар је склон оксидацији при већим потенцијалима и погодан је за употребу као колектор струје негативне електроде; Алуминијум, као колектор струје негативне електроде, има озбиљнији проблем корозије и погодан је за употребу као колектор струје позитивне електроде. Тренутно, материјали који се могу користити као колектори струје за литијум-јонске батерије укључују материјале металних проводника као што су бакар, алуминијум, никл и нерђајући челик, полупроводничке материјале као што су угљеник и композитне материјале.
1.1 Бакарни струјни колектор
Бакар је одличан метални проводник са проводљивошћу други након сребра, и има многе предности као што су обилни ресурси, ниска цена и лака доступност и добра дуктилност. Међутим, с обзиром да је бакар склон оксидацији при већим потенцијалима, често се користи као колектор струје за активне материјале са негативним електродама као што су графит, силицијум, калај и легуре кобалта и калаја. Уобичајени колектори бакра укључују бакарну фолију, пенасти бакар, бакарну мрежу и тродимензионални колектор нано бакарног низа.
1.1.1 Колектор струје од бакарне фолије
Према процесу производње бакарне фолије, може се даље поделити на ваљану бакарну фолију и електролитичку бакарну фолију. У поређењу са електролитичком бакарном фолијом, ваљана бакарна фолија има већу проводљивост и бољи ефекат продужења. Литијум-јонске батерије са ниским захтевима за кривину могу изабрати електролитичку бакарну фолију као колектор струје негативне електроде. Истраживања су показала да је повећање храпавости површине бакарне фолије корисно за побољшање чврстоће везе између струјног колектора и активног материјала, смањење контактног отпора између активног материјала и струјног колектора, и сходно томе побољшање перформанси брзине пражњења и циклуса стабилност батерије.
1.1.2 колектор пенастог бакра
Пенасти бакар је врста тродимензионалног мрежног материјала сличног сунђеру, који има многе предности као што су мала тежина, висока чврстоћа и жилавост и велика специфична површина. Иако активни материјали са негативним електродама од силикона и калаја имају висок теоретски специфични капацитет и сматрају се једним од обећавајућих активних материјала за негативне електроде за литијум-јонске батерије, они такође имају недостатке као што су велике промене запремине и уситњавање током цикличног пуњења/пражњења, што озбиљно утичу на перформансе батерије. Истраживање показује да колектор пенастог бакра може инхибирати промену запремине активних материјала силицијумске и калајне аноде током процеса пуњења и пражњења, успорити феномен уситњавања и на тај начин побољшати перформансе батерије.
1.2 Алуминијумски струјни колектор
Иако је проводљивост алуминијумског метала нижа од проводљивости бакра, квалитет алуминијумске жице је само упола мањи од бакарне жице када се преноси иста количина електричне енергије. Без сумње, коришћење алуминијумских колектора струје може помоћи у побољшању густине енергије литијум-јонских батерија. Поред тога, у поређењу са бакром, алуминијум је јефтинији по цени. Током процеса пуњења/пражњења литијум-јонских батерија, на површини колектора струје алуминијумске фолије се формира густи оксидни филм, који побољшава отпорност алуминијумске фолије на корозију и често се користи као колектор струје за позитивну електроду у литијум-јонске батерије.
Као и колектори струје од бакарне фолије, површинска обрада такође може побољшати својства површине алуминијумске фолије. Након нагризања једносмерном струјом, на површини алуминијумске фолије ће се формирати структура у облику саћа, која је чвршће везана за активни материјал позитивне електроде и побољшава електрохемијске перформансе литијум-јонских батерија. Међутим, у ствари, алуминијумски струјни колектори често пате од тешке корозије због уништавања површинских пасивацијских филмова, што доводи до смањења перформанси литијум-јонских батерија. Стога, да би се побољшала отпорност на корозију угравиране алуминијумске фолије, неопходно је оптимизовати њену површину и формирати стабилнији пасивациони филм.
1.3 Никл струјни колектор
Релативно говорећи, никл је основни метал са релативно ниском ценом, добром проводљивошћу и стабилношћу у киселим и алкалним растворима. Према томе, никл се може користити и као колектор струје позитивне електроде и као колектор струје негативне електроде. Постоје и активни материјали за позитивне електроде као што је литијум гвожђе фосфат и активни материјали за негативне електроде као што су никл оксид, сумпор и угљеник силицијум композитни материјали који им одговарају.
Облик колектора никла обично укључује пенасти никл и никл фолију. Пошто пенасти никл има развијене канале и велику контактну површину са активном супстанцом, контактни отпор између активне супстанце и колектора је смањен. Када користите никл фолију као колектор струје електроде, како се број циклуса пуњења/пражњења повећава, активни материјал је склон одвајању, што утиче на перформансе батерије. Слично, процес предтретмана површине је такође применљив на струјне колекторе од никл фолије. Након нагризања површине струјног колектора од никл фолије, јачина везе између активне супстанце и струјног колектора је значајно побољшана.
Никл оксид има предности стабилне структуре, ниске цене и високог теоријског специфичног капацитета, што га чини широко коришћеним активним материјалом за негативне електроде за литијум-јонске батерије. На основу овога, на површини пенастог никла методом чврсте фазе оксидације, ин-ситу је узгојен слој никл оксида и припремљена је никл оксидна анода са пенастим никлом као колектором. У поређењу са негативном електродом од никл фолије/никл оксида, специфични капацитет првог пражњења негативне електроде од пене никл/никл оксида значајно се повећао. Разлог је тај што у поређењу са дводимензионалним струјним колекторима, тродимензионални структурирани колектори струје смањују феномен поларизације интерфејса и побољшавају стабилност циклуса пуњења/пражњења батерија.
Литијум гвожђе фосфат се сматра идеалним позитивним активним материјалом за напајање литијум јонских батерија због своје добре сигурности и широког извора сировина. Премазивање на површину колектора пенастог никла може повећати контактну површину између ЛиФеПО4 и пенастог никла, смањити густину струје реакције интерфејса и на тај начин побољшати перформансе брзине пражњења ЛиФеПО4.
1.4 Колектор струје од нерђајућег челика
Нерђајући челик се односи на легирани челик који садржи елементе као што су никл, молибден, титанијум, ниобијум, бакар и гвожђе. Има добру проводљивост и стабилност и може да издржи хемијску корозију од слабих корозивних медија као што су ваздух, пара и вода, као и јаке корозивне медије као што су киселина, алкалије и со. Површина од нерђајућег челика је такође склона формирању пасивирајућег филма, који може заштитити његову површину од корозије. У исто време, нерђајући челик се може обрадити тањи од бакра, са предностима као што су ниска цена, једноставан процес и производња великих размера. Нерђајући челик се може користити као позитивни или негативни колектор струје, а уобичајени типови струјних колектора од нерђајућег челика укључују мрежу од нерђајућег челика и порозни нерђајући челик.
1.4.1 Течност за сакупљање мреже од нерђајућег челика
Текстура мреже од нерђајућег челика је густа. Када се користи као колектор струје, његова површина је омотана електродним активним материјалима и не долази у директан контакт са електролитом, што га чини мање склоним споредним реакцијама и побољшава перформансе батерије.
1.4.2 Порозни колектор струје од нерђајућег челика
Једноставан и ефикасан метод за потпуно коришћење активних материјала и побољшање специфичног капацитета електрода за пражњење је употреба порозних колектора струје.
1.5 Колектор струје угљеника
Када се користе угљенични материјали као колектори струје позитивних или негативних електрода, може избећи корозију електролита на металним колекторима струје, а има предности обилних ресурса, једноставне обраде, ниске отпорности, без штете по животну средину и ниске цене.
Тканина од угљеничних влакана може се користити као колектор струје за флексибилне литијум-јонске батерије због своје одличне флексибилности, проводљивости и електрохемијске стабилности. Угљеничне наноцеви су још један облик угљеничних колектора струје, који имају очигледне предности у односу на металне колекторе струје у смислу мале тежине и могу значајно да побољшају густину енергије батерија.
1.6 Композитни струјни колектор
Поред појединачних колектора као што су колектори бакра, алуминијума, колектори никла, колектори од нерђајућег челика и колектори угљеника, композитни колектори су такође привукли истраживачки интерес научника последњих година, као што су проводне смоле, алуминијумске фолије обложене угљеником и титанијум. легуре за памћење облика никла.
1.6.1 Колектор струје од проводне смоле
Колектори струје од полиетилена (ПЕ) и фенолне смоле (ПФ) се састоје од проводних пунила и матрице од полимерне смоле. Уједначеним мешањем ПЕ и ПФ као матричних материјала са проводним пунилима (графит, чађа) припремљен је композитни струјни колектор и проучавана су њихова физичко-хемијска својства. Графен је јединствен и нов дводимензионални функционални материјал угљеника формиран сп2 хибридизацијом атома угљеника. Има многе предности као што су ултра-висока проводљивост, специфична површина и механичка чврстоћа. Може да замени графит као активни материјал негативне електроде литијум-јонских батерија или као материјал за колектор струје.
1.6.2 Колектор струје од легуре са меморијом облика титанијума никла
Легура са меморијом облика титанијума никла је бинарна легура састављена од никла и титанијума, која се може трансформисати између две различите кристалне фазе са променама спољашње температуре или притиска. Легура са меморијом облика титанијум никла може потиснути промену запремине активних супстанци током пуњења и пражњења променом сопственог фазног стања, чиме се побољшава животни век батерија.
1.6.3 Колектор струје од алуминијумске фолије обложен угљеником
Колектор струје обложен угљеником/алуминијумска фолија се односи на композитни струјни колектор у коме је композитни слој који садржи угљеник обложен на површини алуминијумске фолије. Међу њима, слој који садржи угљеник се састоји од угљеничних влакана и проводљивих честица чађе третираних дисперзантима, који се могу чврсто комбиновати са алуминијумском фолијом како би се побољшала проводљивост и отпорност на корозију електроде.
Колектор струје је једна од незаменљивих и важних компоненти у литијум-јонским батеријама, са вишеструким функцијама ношења активних материјала електрода и прикупљања излазне струје. Перформансе струјних колектора припремљених од различитих материјала и производних процеса варирају, а различит је и њихов утицај на литијум-јонске батерије.