Strujni kolektor je jedna od nezamjenjivih komponenti u litijum-jonskim baterijama. Ne samo da može nositi aktivni materijal, već i prikupljati i odvoditi struju koju generiše aktivni materijal elektrode, što pogoduje smanjenju unutrašnjeg otpora litijum-jonskih baterija, poboljšavajući kulombičku efikasnost, stabilnost ciklusa i performanse brzine. baterija.
Kolektor struje litijum jonske baterije
U principu, idealan kolektor struje litijum-jonske baterije treba da ispunjava sledeće uslove: (1) visoka provodljivost; (2) Dobra hemijska i elektrohemijska stabilnost; (3) Visoka mehanička čvrstoća; (4) Dobra kompatibilnost i snaga vezivanja sa aktivnim materijalima elektrode; (5) Jeftin i lak za nabavku; (6) Lagana.
Međutim, u praktičnim primjenama, različiti materijali strujnih kolektora i dalje imaju različite probleme, tako da ne mogu u potpunosti ispuniti zahtjeve više razmjera koji su gore navedeni. Bakar je sklon oksidaciji pri većim potencijalima i pogodan je za upotrebu kao kolektor struje negativne elektrode; Aluminij, kao kolektor struje negativne elektrode, ima ozbiljniji problem korozije i pogodan je za upotrebu kao kolektor struje pozitivne elektrode. Trenutno, materijali koji se mogu koristiti kao kolektori struje za litijum-jonske baterije uključuju materijale za metalne provodnike kao što su bakar, aluminij, nikl i nehrđajući čelik, poluvodičke materijale poput ugljika i kompozitne materijale.
1.1 Bakarni strujni kolektor
Bakar je izvrstan metalni provodnik sa vodljivošću koji je drugi nakon srebra i ima mnoge prednosti kao što su obilni resursi, niska cena i laka dostupnost, i dobra duktilnost. Međutim, s obzirom da je bakar sklon oksidaciji pri većim potencijalima, često se koristi kao kolektor struje za aktivne materijale sa negativnim elektrodama kao što su grafit, silicijum, kalaj i legure kobalta i kalaja. Uobičajeni kolektori bakra uključuju bakarnu foliju, pjenasti bakar, bakrenu mrežu i trodimenzionalni kolektor nano bakrenog niza.
1.1.1 Kolektor struje od bakarne folije
Prema procesu proizvodnje bakrene folije, ona se dalje može podijeliti na valjanu bakrenu foliju i elektrolitičku bakrenu foliju. U poređenju sa elektrolitičkom bakarnom folijom, valjana bakarna folija ima veću provodljivost i bolji efekat produžetka. Litijum-jonske baterije sa niskim zahtevima za zakrivljenost mogu izabrati elektrolitičku bakrenu foliju kao kolektor struje negativne elektrode. Istraživanja su pokazala da je povećanje hrapavosti površine bakrene folije korisno za poboljšanje čvrstoće vezivanja između strujnog kolektora i aktivnog materijala, smanjenje kontaktnog otpora između aktivnog materijala i strujnog kolektora, i shodno tome poboljšanje performansi brzine pražnjenja i ciklusa. stabilnost baterije.
1.1.2 kolektor pjenastog bakra
Pjenasti bakar je vrsta trodimenzionalnog mrežnog materijala sličnog spužvi, koji ima mnoge prednosti kao što su mala težina, visoka čvrstoća i žilavost i velika specifična površina. Iako aktivni materijali za negativne elektrode od silicija i kositra imaju visok teoretski specifični kapacitet i smatraju se jednim od obećavajućih aktivnih materijala za negativne elektrode za litijum-jonske baterije, oni također imaju nedostatke kao što su velike promjene zapremine i usitnjavanje tokom cikličkog punjenja/pražnjenja, što ozbiljno uticati na performanse baterije. Istraživanje pokazuje da kolektor pjenastog bakra može inhibirati promjenu volumena aktivnih materijala silicijumske i kalajne anode tokom procesa punjenja i pražnjenja, usporiti fenomen usitnjavanja i time poboljšati performanse baterije.
1.2 Aluminijski strujni kolektor
Iako je provodljivost aluminijumskog metala niža od provodljivosti bakra, kvalitet aluminijumske žice je samo upola manji od bakarne žice kada se prenosi ista količina električne energije. Bez sumnje, korištenje aluminijskih kolektora struje može pomoći u poboljšanju gustoće energije litijum-jonskih baterija. Osim toga, u poređenju sa bakrom, aluminijum je jeftiniji. Tokom procesa punjenja/pražnjenja litijum-jonskih baterija, na površini kolektora struje aluminijske folije formira se gusti oksidni film, koji poboljšava otpornost aluminijske folije na koroziju i često se koristi kao kolektor struje za pozitivnu elektrodu u litijum-jonske baterije.
Poput kolektora struje bakrene folije, površinska obrada također može poboljšati svojstva površine aluminijske folije. Nakon nagrizanja jednosmjernom strujom, na površini aluminijske folije će se formirati struktura saća, koja je čvršće vezana za aktivni materijal pozitivne elektrode i poboljšava elektrohemijske performanse litijum-jonskih baterija. Međutim, u stvari, aluminijski strujni kolektori često pate od teške korozije zbog uništavanja površinskih pasivacijskih filmova, što dovodi do smanjenja performansi litijum-jonskih baterija. Stoga, kako bi se poboljšala otpornost na koroziju jetkane aluminijske folije, potrebno je optimizirati njenu površinu i formirati stabilniji pasivacijski film.
1.3 Nikl strujni kolektor
Relativno govoreći, nikal je osnovni metal sa relativno niskom cijenom, dobrom provodljivošću i stabilnošću u kiselim i alkalnim otopinama. Stoga se nikl može koristiti i kao kolektor struje pozitivne elektrode i kao kolektor struje negativne elektrode. Postoje i aktivni materijali za pozitivne elektrode kao što je litij-gvozdeni fosfat i aktivni materijali za negativne elektrode kao što su nikl oksid, sumpor i ugljični silicijum kompozitni materijali koji im odgovaraju.
Oblik kolektora nikla obično uključuje pjenasti nikl i nikl foliju. Budući da pjenasti nikl ima razvijene kanale i veliku površinu kontakta sa aktivnom supstancom, kontaktni otpor između aktivne tvari i kolektora je smanjen. Kada koristite nikl foliju kao kolektor struje elektrode, kako se broj ciklusa punjenja/pražnjenja povećava, aktivni materijal je sklon odvajanju, što utiče na performanse baterije. Slično, proces predtretmana površine je također primjenjiv na strujne kolektore od nikl folije. Nakon nagrizanja površine strujnog kolektora od nikl folije, čvrstoća veze između aktivne tvari i strujnog kolektora je značajno poboljšana.
Nikl oksid ima prednosti stabilne strukture, niske cijene i visokog teoretskog specifičnog kapaciteta, što ga čini široko korištenim aktivnim materijalom za negativne elektrode za litijum-jonske baterije. Na osnovu toga je in situ na površini pjenastog nikla metodom oksidacije u čvrstoj fazi uzgojen sloj nikl oksida i pripremljena je nikl oksidna anoda sa pjenastim niklom kao kolektorom. U poređenju sa negativnom elektrodom od nikl folije/nikl oksida, specifični kapacitet prvog pražnjenja negativne elektrode od nikl/nikl oksida značajno se povećao. Razlog je taj što u poređenju sa dvodimenzionalnim strujnim kolektorima, trodimenzionalni strukturirani kolektori struje smanjuju fenomen polarizacije interfejsa i poboljšavaju stabilnost ciklusa punjenja/pražnjenja baterija.
Litijum gvožđe fosfat se smatra idealnim pozitivnim aktivnim materijalom za napajanje litijum jonskih baterija zbog svoje dobre sigurnosti i širokog izvora sirovina. Premazivanje na površinu kolektora od pjenastog nikla može povećati kontaktnu površinu između LiFePO4 i pjenastog nikla, smanjiti gustoću struje reakcije međusklopa i na taj način poboljšati performanse brzine pražnjenja LiFePO4.
1.4 Strujni kolektor od nehrđajućeg čelika
Nehrđajući čelik se odnosi na legirani čelik koji sadrži elemente kao što su nikl, molibden, titan, niobij, bakar i željezo. Ima dobru provodljivost i stabilnost i može izdržati hemijsku koroziju od slabih korozivnih medija kao što su vazduh, para i voda, kao i jake korozivne medije kao što su kiselina, alkalije i soli. Površina od nehrđajućeg čelika je također sklona stvaranju pasivizirajućeg filma, koji može zaštititi njegovu površinu od korozije. U isto vrijeme, nehrđajući čelik se može obraditi tanje od bakra, s prednostima kao što su niska cijena, jednostavan proces i proizvodnja velikih razmjera. Nehrđajući čelik se može koristiti kao pozitivni ili negativni kolektor struje, a uobičajeni tipovi strujnih kolektora od nehrđajućeg čelika uključuju mrežu od nehrđajućeg čelika i porozni nehrđajući čelik.
1.4.1 Tečnost za sakupljanje mreže od nerđajućeg čelika
Tekstura mreže od nerđajućeg čelika je gusta. Kada se koristi kao kolektor struje, njegova površina je omotana elektrodnim aktivnim materijalima i ne dolazi u direktan kontakt s elektrolitom, što ga čini manje sklonim sporednim reakcijama i poboljšava performanse baterije.
1.4.2 Porozni strujni kolektor od nehrđajućeg čelika
Jednostavna i učinkovita metoda za potpuno korištenje aktivnih materijala i poboljšanje specifičnog kapaciteta elektroda za pražnjenje je korištenje poroznih kolektora struje.
1.5 Ugljenični kolektor struje
Kada se koriste ugljični materijali kao kolektori struje pozitivnih ili negativnih elektroda, može se izbjeći korozija elektrolita na metalnim strujnim kolektorima, a ima prednosti obilnih resursa, jednostavne obrade, niske otpornosti, bez štete po okoliš i niske cijene.
Tkanina od karbonskih vlakana može se koristiti kao kolektor struje za fleksibilne litijum-jonske baterije zbog svoje odlične fleksibilnosti, provodljivosti i elektrohemijske stabilnosti. Ugljične nanocijevi su još jedan oblik karbonskih kolektora struje, koji imaju očigledne prednosti u odnosu na metalne kolektore struje u smislu male težine i mogu značajno poboljšati gustoću energije baterija.
1.6 Kompozitni strujni kolektor
Pored pojedinačnih kolektora kao što su kolektori bakra, aluminijuma, kolektori nikla, kolektori od nerđajućeg čelika i kolektori ugljenika, kompozitni kolektori su takođe privukli istraživački interes naučnika poslednjih godina, kao što su provodne smole, aluminijumske folije obložene ugljenikom i titanijum. legure sa memorijom oblika nikla.
1.6.1 Kolektor struje od vodljive smole
Kolektori struje od polietilena (PE) i fenolne smole (PF) se sastoje od provodljivih punila i matrice od polimerne smole. Ujednačenim miješanjem PE i PF kao matričnih materijala sa vodljivim punilima (grafit, čađa) pripremljen je kompozitni strujni kolektor i proučavana su njihova fizička i kemijska svojstva. Grafen je jedinstven i nov dvodimenzionalni ugljikov funkcionalni materijal nastao sp2 hibridizacijom atoma ugljika. Ima mnoge prednosti kao što su ultra visoka provodljivost, specifična površina i mehanička čvrstoća. Može zamijeniti grafit kao aktivni materijal negativne elektrode litijum-jonskih baterija ili kao materijal za kolektor struje.
1.6.2 Kolektor struje od legure sa memorijom oblika titanijum nikla
Titanijumska legura sa memorijom oblika nikla je binarna legura sastavljena od nikla i titanijuma, koja se može transformisati između dve različite kristalne faze sa promenama spoljašnje temperature ili pritiska. Legura sa memorijom oblika titanijum nikla može potisnuti promenu zapremine aktivnih supstanci tokom punjenja i pražnjenja promenom sopstvenog faznog stanja, čime se poboljšava životni vek baterija.
1.6.3 Kolektor struje od aluminijske folije obložen ugljikom
Kolektor struje obložen ugljikom/aluminijska folija odnosi se na kompozitni strujni kolektor u kojem je kompozitni sloj koji sadrži ugljik obložen na površini aluminijske folije. Među njima, sloj koji sadrži ugljik se sastoji od ugljičnih vlakana i provodljivih čestica čađe tretiranih disperzantima, koji se mogu čvrsto kombinirati s aluminijskom folijom kako bi se poboljšala provodljivost i otpornost na koroziju elektrode.
Kolektor struje je jedna od nezamjenjivih i važnih komponenti u litijum-jonskim baterijama, s višestrukim funkcijama nošenja elektrodnih aktivnih materijala i prikupljanja izlazne struje. Performanse strujnih kolektora pripremljenih od različitih materijala i proizvodnih procesa variraju, a različit je i njihov uticaj na litijum-jonske baterije.