鋰電池體積能量密度提升 3D泡沫集流體功不可沒

目前商業鋰電池普遍采用的集流體為Al箔和Cu箔，正負極活性物質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，容易成為鋰電池倍率性能的限制因素。

集流體是鋰電池內部緊要的組成部分，正負極活性物質中的電子通過集流體進入到外電路，并最終返回到另一側的活性物質之中。目前商業鋰電池普遍采用的集流體為Al箔和Cu箔，正負極活性物質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，容易成為鋰電池倍率性能的限制因素，例如我們在上一篇文章中曾經提到過，韓國公州國立大學通過對Al箔表面氧化-腐蝕解決大幅新增了Al箔表面的粗燥程度，提升活性物質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。

新增接觸面積是降低活性物質與集流體之間接觸電阻的最為有效的辦法，近日美國加州大學圣迭戈分校的DanielJ.Noelle等采用泡沫Al和泡沫Cu作為集流體，有效新增了活性物質與集流體之間的接觸面積，從而能將鋰電池的涂布量提高到創紀錄的16.7mAh/cm2(138mg/cm2，一般高比能電池的兩倍)，鋰電池的體積能量密度提升達到22%，同時該電極結構還改善了鋰電池的熱穩定性，在外短路和擠壓探測中采用該結構的電池出現的最高溫度僅為一般電池的25%。

試驗中采用的泡沫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(每英寸孔的數量)，泡沫Cu的厚度也為1mm，孔隙率為94%，孔密度為105PPI。DanielJ.Noelle將鋰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，負極采用石墨作為活性物質。

下圖為上述的電極組成的2032型扣式電池的倍率性能探測曲線，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，是一般高比能鋰電池的兩倍左右。但是電極的容量隨著倍率新增衰降較快，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。

下表中作者比較了一般商業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一般商業2032扣式電池更加具有優點，約莫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2032扣式電池高22%。

泡沫集流體的優點不僅僅體今朝提升體積能量密度上，泡沫集流體的結構特點使得鋰電池的安全性得到了大幅提升，依據探測采用泡沫集流體的電池在外短路實驗中，開始3s的電流僅為一般商業電池的38%，在隨后的5min里更是下降到了一般商業鋰電池的14%，短路電流的下降也帶來了產熱的降低，在整個外短路實驗中電池的最高溫度僅為一般商業電池的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，因此在實際使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。

DanielJ.Noelle采用的泡沫Al、泡沫Cu作為鋰電池的集流體緊要優點體今朝高負載量上，達到了138mg/cm2，是一般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出了非常大的優點，比一般商業鋰電池高出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一般商業鋰電池低11%左右。因此總的來看，泡沫Al、Cu集流體更加適合使用在一些關于鋰電池充放電倍率要求不高，但是對鋰電池體積限制比較大的范疇，例如穿戴設備和微電子等范疇。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除