銅箔鋁箔在鋰電池的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與控制要點(diǎn)

2021-05-15 10:30:20 admin 57

鋰離子電池作為新一代綠色高能可充電電池,

具有電壓高、能量密度大、循環(huán)性能好、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn),在近10年來(lái)取得了飛速發(fā)展,

并以其卓越的高性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)在全球各國(guó)的筆記本電腦、移動(dòng)電話、攝錄機(jī)、武器裝備等移動(dòng)電子終端設(shè)備領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位,

被認(rèn)為是21世紀(jì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活具有重要意義的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。


提升鋰離子電池比能量的途徑無(wú)非是使用更高容量的正負(fù)極材料,厚度更薄的隔膜紙,

厚度更薄的銅箔鋁箔,盡可能的減少其他輔助添加物。


鋰離子電池用銅箔的性能要求

鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成。

充電時(shí)加在電池兩極的電勢(shì)迫使正極的嵌鋰化合物釋放出鋰離子,

通過(guò)隔膜后嵌入六方片層結(jié)構(gòu)的石墨負(fù)極中;放電時(shí)鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的石墨中析出,

重新和正極的嵌鋰化合物結(jié)合,鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生了電流。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和充放電過(guò)程化學(xué)反應(yīng)原理雖然很簡(jiǎn)單,然而在實(shí)際的商業(yè)化應(yīng)用中需要考慮很多問(wèn)題。

例如,正負(fù)極材料的導(dǎo)電性能、充放電電位、活性、脫插鋰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能、倍率性能和安全性能等,

以及電解液的穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和環(huán)境適應(yīng)性等。


除上述因素外,鋰離子電池的內(nèi)阻必須足夠小,只有這樣才能保證使用的可靠性和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

這不僅取決于正負(fù)極活性,而且與集流體有著相當(dāng)大的關(guān)系。


鋰離子電池集流體的主要材料是金屬箔(如銅箔、鋁箔),

其功用是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來(lái),以便形成較大的電流輸出,

因此集流體應(yīng)與活性物質(zhì)充分接觸,并且內(nèi)阻應(yīng)盡可能小,

這也是鋰離子電池為什么選用價(jià)格較高的銅箔和鋁箔的主要原因。

銅箔具有良好的導(dǎo)電性、柔韌性和適中的電位,耐卷繞和輾壓,生產(chǎn)技術(shù)較成熟,

因而成為鋰離子電池負(fù)極集流體的首選材料。


銅箔在鋰離子電池中既是負(fù)極活性材料的載體,又是負(fù)極電子的收集與傳導(dǎo)體,

因此對(duì)其有特殊的技術(shù)要求,即必須具有良好的導(dǎo)電性,表面能均勻地涂敷負(fù)極材料而不脫落,并具有良好的耐蝕性。

為了保證涂敷在電解銅箔上的負(fù)極材料不會(huì)脫落,在制備時(shí)必須加入合適的粘結(jié)劑。

據(jù)涂布在線了解,目前常用的粘結(jié)劑為PVDF、PTFE、SBR、LA133等,

其粘結(jié)強(qiáng)度不僅取決于粘合劑本身的物理化學(xué)性能,而且與銅箔的表面特性有很大關(guān)系。

涂層的粘結(jié)強(qiáng)度足夠高時(shí),可防止充放電循環(huán)過(guò)程中負(fù)極的粉化脫落,

或因過(guò)度膨脹收縮而剝離基片,降低循環(huán)容量保持率。

反之,如果粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)不到要求,則隨著循環(huán)次數(shù)的增加,因涂層剝離程度加重而使電池內(nèi)阻抗不斷增大,

循環(huán)容量下降加劇。這就要求鋰離子電池用銅箔需要具有良好的親水性。


銅箔鋁箔在鋰電池的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與控制要點(diǎn)

眾所周知,不論3C數(shù)碼類(lèi)電池還是新能源汽車(chē)動(dòng)力電池,對(duì)比能量與充放電倍率性能的要求越來(lái)越高。

最新的國(guó)家補(bǔ)貼政策中規(guī)定,純電動(dòng)客車(chē)系統(tǒng)能量密度大于95瓦時(shí)/kg,才能拿到100%國(guó)補(bǔ),95瓦時(shí)的門(mén)檻,

估計(jì)讓不少磷酸鐵鋰系電池生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)人員愁容滿面了,“就差5瓦時(shí)/kg怎么辦?


研發(fā)的重點(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)都在更高克容的正負(fù)極材料上(合計(jì)重量占比50%以上)。

磷酸鐵鋰已無(wú)潛力可挖,三元在向高鎳的進(jìn)軍的途中(鎳鈷錳111—523—622—811—NCA?),

但安全是懸在空中的達(dá)摩斯利劍,隨時(shí)有可能刺破鋰電池企業(yè)的心臟,

每每前行一步,熱汗冷汗交替,做三元研發(fā)的兄弟們,真是辛苦啦。


負(fù)極方面,只能被動(dòng)等待硅碳材料的成熟,硅碳的膨脹系數(shù)太高怎么辦?

壽命不足怎么辦?我聽(tīng)取了哇聲一片!還有一招,采用更薄的隔膜紙!

但隔膜僅占電池重量的4~5%,隔膜太薄還會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極短路風(fēng)險(xiǎn)增加,結(jié)果往往得不償失。


現(xiàn)階段,鋰離子電池生產(chǎn)使用的常規(guī)銅箔厚度8μm~12μm(3C數(shù)碼類(lèi)電池用銅箔已有采用6~7μm銅箔),

鋁箔的厚度12μm~20μm,作為正負(fù)極導(dǎo)電基材占鋰離子電池重量的15%~20%,

如何進(jìn)一步降低銅鋁箔的重量比從而提升比能量呢?

于是,微孔銅箔鋁箔就是在這樣的環(huán)境刺激下孕育而生,橫空出世!


微孔銅箔鋁箔的現(xiàn)有規(guī)格(機(jī)械加工的方式制孔,保持箔材原有的物理性能,涂布不斷裂,0毛刺不滲漏):

一、微孔箔材在鋰離子電池的應(yīng)用具有哪些優(yōu)勢(shì)呢?(以孔隙率17%的微孔箔為例)

1、直接有效提升鋰電池比能量;

同等規(guī)格的箔材,孔隙率17%的微孔箔,重量減少17%;同等面密度,正負(fù)極壓實(shí)提高(部分材料填充進(jìn)入孔隙間)。


2、有效提升鋰電池倍率性能;

常規(guī)箔材的鋰電池,鋰離子的遷移通過(guò)箔材二維方向向極耳端擴(kuò)散,箔材通孔后,

鋰離子的擴(kuò)散路徑可轉(zhuǎn)化為立體全方位穿透,且可通過(guò)進(jìn)入到孔隙間的正負(fù)極材料與箔材的接觸面增加,

縮小鋰離子遷移半徑,提高導(dǎo)電效率。

(個(gè)人觀點(diǎn)認(rèn)為鋰離子倍率性能制約瓶頸不在于電子的傳導(dǎo),而在于鋰離子轉(zhuǎn)移效率,

如多孔狀的科琴碳黑在倍率型電池上的應(yīng)用效果就比非多孔狀的導(dǎo)電劑實(shí)驗(yàn)效果更好)


3、有效降低鋰電池內(nèi)阻;

同等箔材做的對(duì)比顯示,同時(shí)使用用沖孔銅箔與鋁箔可有效降低內(nèi)阻8%~20%。

理論依據(jù),推測(cè)是導(dǎo)電箔材與正負(fù)極接觸面增加,同時(shí)箔材自身內(nèi)阻降低的雙重效應(yīng)所致。(不確定)


個(gè)人觀點(diǎn)認(rèn)為:

若正負(fù)極極片涂層厚度小于箔材微孔的半徑,則內(nèi)阻會(huì)增加,反之,則內(nèi)阻降低。

涂層最外側(cè)的鋰離子到箔材表面的接觸距離與倍率性能相關(guān),電芯設(shè)計(jì)中,

面密度高,則倍率性能的發(fā)揮可能越低。(歡迎行業(yè)朋友共同探討)


4、鋰電池電解液注入后的浸潤(rùn)效率可大幅度提升,且能100%確保浸潤(rùn)一致性。

常規(guī)箔材的鋰電池,電解液從縱向四周向中心擴(kuò)散浸潤(rùn),打孔后是呈立體式滲透擴(kuò)散,

徹底消除部分電池極片中心浸潤(rùn)不到的問(wèn)題。

行業(yè)內(nèi),已有反饋單體電芯一致性不夠的原因之一就是浸潤(rùn)一致性引起的。

5、提高了箔材的表面粘附力,通過(guò)孔隙間的材料,

正負(fù)極極片涂層正反兩面材料形成“工”字型咬合狀態(tài),極片脫落的概率可大幅度降低。

6、提升極片的彎折柔軟度,更適用于柔性電池的應(yīng)用。(已有公司批量用于制作可穿戴鋰電池,性能提升明顯)

7、其它優(yōu)勢(shì),尚需用戶(hù)進(jìn)一步挖掘。


二、微孔銅箔鋁箔在鋰離子電池上的控制要點(diǎn)

1、涂布防滲漏;

微孔銅箔鋁箔在涂布過(guò)程中,要防止?jié){料粘度過(guò)低造成擠壓噴涂過(guò)程中,漿料從箔材孔隙間滲漏,

不同孔徑、孔隙率的箔材對(duì)漿料的粘度要求不同。以17%孔隙率,孔徑0.35mm的微孔鋁箔為例,

通過(guò)試驗(yàn)表明,正極材料粘度要求在8000左右,最低不宜低過(guò)6000,擠壓式噴涂過(guò)程中,需要適當(dāng)調(diào)整傳動(dòng)速度。

(漿料靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng),容易少部分滲透到另一面,快速洪干可以解決)。

2、極片分切的毛刺控制;


最后,希望已經(jīng)完成微孔銅箔或鋁箔用于鋰離子電池實(shí)驗(yàn)的同行朋友們,能夠分享數(shù)據(jù),共同交流。


另:

微孔銅箔用于鋰電容、超級(jí)電容、鎳鎘、鎳氫電池,性能提升非常明顯,

未規(guī)?;茝V開(kāi)來(lái)的原因是成本問(wèn)題。采用機(jī)械加工的方式制孔,生產(chǎn)效率極高,

預(yù)計(jì)規(guī)模量產(chǎn)后的成本比常規(guī)的雙光銅箔價(jià)格增幅有限(估計(jì)最終售價(jià)在13萬(wàn)/噸左右)。