Pengumpul semasa adalah salah satu komponen yang sangat diperlukan dalam bateri litium-ion. Ia bukan sahaja boleh membawa bahan aktif, tetapi juga mengumpul dan mengeluarkan arus yang dijana oleh bahan aktif elektrod, yang kondusif untuk mengurangkan rintangan dalaman bateri litium-ion, meningkatkan kecekapan coulombic, kestabilan kitaran, dan prestasi kadar. bateri.
Pengumpul arus bateri ion litium
Pada dasarnya, pengumpul arus bateri litium-ion yang ideal harus memenuhi syarat berikut: (1) kekonduksian tinggi; (2) Kestabilan kimia dan elektrokimia yang baik; (3) Kekuatan mekanikal yang tinggi; (4) Keserasian yang baik dan kekuatan mengikat dengan bahan aktif elektrod; (5) Murah dan mudah diperolehi; (6) Ringan.
Walau bagaimanapun, dalam aplikasi praktikal, bahan pengumpul semasa yang berbeza masih mempunyai pelbagai masalah, jadi mereka tidak dapat memenuhi sepenuhnya keperluan berbilang skala yang disebutkan di atas. Kuprum terdedah kepada pengoksidaan pada potensi yang lebih tinggi dan sesuai digunakan sebagai pengumpul arus elektrod negatif; Aluminium, sebagai pengumpul arus elektrod negatif, mempunyai masalah kakisan yang lebih serius dan sesuai digunakan sebagai pengumpul arus elektrod positif. Pada masa ini, bahan yang boleh digunakan sebagai pengumpul semasa untuk bateri litium-ion termasuk bahan konduktor logam seperti tembaga, aluminium, nikel, dan keluli tahan karat, bahan semikonduktor seperti karbon, dan bahan komposit.
1.1 Pengumpul arus kuprum
Kuprum ialah konduktor logam yang sangat baik dengan kekonduksian kedua selepas perak, dan mempunyai banyak kelebihan seperti sumber yang banyak, kos rendah dan ketersediaan mudah, dan kemuluran yang baik. Walau bagaimanapun, memandangkan kuprum terdedah kepada pengoksidaan pada potensi yang lebih tinggi, ia sering digunakan sebagai pengumpul arus untuk bahan aktif elektrod negatif seperti grafit, silikon, timah, dan aloi timah kobalt. Pengumpul kuprum biasa termasuk kerajang kuprum, kuprum buih, jejaring kuprum dan pengumpul tatasusunan kuprum nano tiga dimensi.
1.1.1 Pengumpul arus kerajang kuprum
Mengikut proses pengeluaran kerajang tembaga, ia boleh dibahagikan lagi kepada kerajang tembaga yang digulung dan kerajang tembaga elektrolitik. Berbanding dengan kerajang tembaga elektrolitik, kerajang tembaga yang digulung mempunyai kekonduksian yang lebih tinggi dan kesan lanjutan yang lebih baik. Bateri litium ion dengan keperluan rendah untuk kelengkungan boleh memilih kerajang kuprum elektrolitik sebagai pengumpul arus elektrod negatif. Penyelidikan telah menunjukkan bahawa meningkatkan kekasaran permukaan kerajang tembaga adalah bermanfaat untuk meningkatkan kekuatan ikatan antara pengumpul semasa dan bahan aktif, mengurangkan rintangan sentuhan antara bahan aktif dan pengumpul semasa, dan juga meningkatkan prestasi dan kitaran pelepasan kadar. kestabilan bateri.
1.1.2 pengumpul kuprum buih
Tembaga buih adalah sejenis bahan rangkaian tiga dimensi yang serupa dengan span, yang mempunyai banyak kelebihan seperti berat ringan, kekuatan tinggi dan keliatan, dan luas permukaan khusus yang besar. Walaupun bahan aktif elektrod negatif silikon dan timah mempunyai kapasiti khusus teori yang tinggi dan dianggap sebagai salah satu bahan aktif elektrod negatif yang menjanjikan untuk bateri litium-ion, ia juga mempunyai kelemahan seperti perubahan volum yang besar dan penumbuk semasa pengecasan/penyahcasan kitaran, yang menjejaskan prestasi bateri secara serius. Penyelidikan menunjukkan bahawa pengumpul kuprum buih boleh menghalang perubahan volum bahan aktif silikon dan anod timah semasa proses cas dan nyahcas, melambatkan fenomena penumbuk, dan dengan itu meningkatkan prestasi bateri.
1.2 Pengumpul arus aluminium
Walaupun kekonduksian logam aluminium lebih rendah daripada kuprum, kualiti wayar aluminium hanya separuh daripada wayar kuprum apabila mengangkut jumlah elektrik yang sama. Tidak dinafikan, menggunakan pengumpul arus aluminium boleh membantu meningkatkan ketumpatan tenaga bateri litium-ion. Di samping itu, berbanding dengan tembaga, harga aluminium lebih murah. Semasa proses pengecasan/penyahcasan bateri litium-ion, filem oksida padat terbentuk pada permukaan pengumpul arus kerajang aluminium, yang meningkatkan rintangan kakisan kerajang aluminium dan sering digunakan sebagai pengumpul arus untuk elektrod positif dalam bateri litium-ion.
Seperti pengumpul arus kerajang tembaga, rawatan permukaan juga boleh meningkatkan sifat permukaan kerajang aluminium. Selepas goresan arus terus, struktur sarang lebah akan terbentuk pada permukaan kerajang aluminium, yang lebih terikat pada bahan aktif elektrod positif dan meningkatkan prestasi elektrokimia bateri litium-ion. Walau bagaimanapun, sebenarnya, pengumpul arus aluminium sering mengalami kakisan teruk akibat pemusnahan filem pempasifan permukaan, yang membawa kepada penurunan dalam prestasi bateri litium-ion. Oleh itu, untuk meningkatkan rintangan kakisan kerajang aluminium terukir, adalah perlu untuk mengoptimumkan permukaannya dan membentuk filem pempasifan yang lebih stabil.
1.3 Pengumpul arus nikel
Secara relatifnya, nikel ialah logam asas dengan harga yang agak rendah, kekonduksian yang baik, dan kestabilan dalam larutan berasid dan beralkali. Oleh itu, nikel boleh digunakan sebagai kedua-dua pengumpul arus elektrod positif dan pengumpul arus elektrod negatif. Terdapat kedua-dua bahan aktif elektrod positif seperti litium besi fosfat dan bahan aktif elektrod negatif seperti nikel oksida, sulfur dan bahan komposit karbon silikon yang sepadan dengannya.
Bentuk pengumpul nikel biasanya termasuk nikel buih dan kerajang nikel. Oleh kerana nikel buih telah membangunkan saluran dan kawasan sentuhan yang besar dengan bahan aktif, rintangan sentuhan antara bahan aktif dan pengumpul dikurangkan. Apabila menggunakan kerajang nikel sebagai pengumpul arus elektrod, apabila bilangan kitaran cas/nyahcas meningkat, bahan aktif terdedah kepada detasmen, yang menjejaskan prestasi bateri. Begitu juga, proses prarawatan permukaan juga boleh digunakan untuk pengumpul arus kerajang nikel. Selepas mengetsa permukaan pengumpul arus kerajang nikel, kekuatan ikatan antara bahan aktif dan pengumpul semasa dipertingkatkan dengan ketara.
Nikel oksida mempunyai kelebihan struktur yang stabil, harga rendah, dan kapasiti khusus teori yang tinggi, menjadikannya bahan aktif elektrod negatif yang digunakan secara meluas untuk bateri litium-ion. Berdasarkan ini, lapisan nikel oksida ditanam secara in-situ pada permukaan nikel buih dengan kaedah pengoksidaan fasa pepejal, dan anod nikel oksida dengan nikel buih sebagai pengumpul disediakan. Berbanding dengan kerajang nikel/nikel oksida elektrod negatif, kapasiti khusus nyahcas pertama elektrod negatif nikel/nikel oksida buih meningkat dengan ketara. Sebabnya ialah berbanding dengan pengumpul arus dua dimensi, pengumpul arus berstruktur tiga dimensi mengurangkan fenomena polarisasi antara muka dan meningkatkan kestabilan kitaran pengecasan/penyahcasan bateri.
Litium besi fosfat dianggap sebagai bahan aktif positif yang ideal untuk bateri ion litium kuasa kerana keselamatannya yang baik dan sumber bahan mentah yang luas. Menyalutnya pada permukaan pengumpul nikel buih boleh meningkatkan kawasan sentuhan antara LiFePO4 dan nikel buih, mengurangkan ketumpatan semasa tindak balas antara muka, dan dengan itu meningkatkan prestasi pelepasan kadar LiFePO4.
1.4 Pengumpul arus keluli tahan karat
Keluli tahan karat merujuk kepada keluli aloi yang mengandungi unsur-unsur seperti nikel, molibdenum, titanium, niobium, tembaga, dan besi. Ia mempunyai kekonduksian dan kestabilan yang baik, dan boleh menahan kakisan kimia daripada media menghakis yang lemah seperti udara, wap, dan air, serta media menghakis yang kuat seperti asid, alkali, dan garam. Permukaan keluli tahan karat juga terdedah untuk membentuk filem pempasifan, yang boleh melindungi permukaannya daripada kakisan. Pada masa yang sama, keluli tahan karat boleh diproses lebih nipis daripada tembaga, dengan kelebihan seperti kos rendah, proses mudah, dan pengeluaran berskala besar. Keluli tahan karat boleh digunakan sebagai pengumpul arus positif atau negatif, dan jenis biasa pengumpul arus keluli tahan karat termasuk mesh keluli tahan karat dan keluli tahan karat berliang.
1.4.1 Cecair pengumpul jaring keluli tahan karat
Tekstur mesh keluli tahan karat adalah padat. Apabila digunakan sebagai pengumpul arus, permukaannya dibalut oleh bahan aktif elektrod dan tidak bersentuhan langsung dengan elektrolit, menjadikannya kurang terdedah kepada tindak balas sampingan dan meningkatkan prestasi berbasikal bateri.
1.4.2 Pengumpul arus keluli tahan karat berliang
Kaedah yang mudah dan berkesan untuk menggunakan bahan aktif sepenuhnya dan meningkatkan kapasiti khusus nyahcas elektrod adalah dengan menggunakan pengumpul arus berliang.
1.5 Pengumpul arus karbon
Apabila menggunakan bahan karbon sebagai pengumpul arus elektrod positif atau negatif, ia boleh mengelakkan kakisan elektrolit pada pengumpul arus logam, dan ia mempunyai kelebihan sumber yang banyak, pemprosesan mudah, kerintangan rendah, tidak membahayakan alam sekitar, dan harga yang rendah.
Kain gentian karbon boleh digunakan sebagai pengumpul arus untuk bateri litium-ion yang fleksibel kerana fleksibiliti, kekonduksian dan kestabilan elektrokimia yang sangat baik. Tiub nano karbon adalah satu lagi bentuk pengumpul arus karbon, yang mempunyai kelebihan yang jelas berbanding pengumpul arus logam dari segi ringan dan boleh meningkatkan ketumpatan tenaga bateri dengan ketara.
1.6 Pengumpul arus komposit
Sebagai tambahan kepada pengumpul tunggal seperti pengumpul tembaga, pengumpul aluminium, pengumpul nikel, pengumpul keluli tahan karat, dan pengumpul karbon, pengumpul komposit juga telah menarik minat penyelidikan sarjana dalam beberapa tahun kebelakangan ini, seperti resin konduktif, kerajang aluminium bersalut karbon, dan titanium. aloi ingatan bentuk nikel.
1.6.1 Pengumpul arus resin konduktif
Pengumpul arus polietilena (PE) dan resin fenolik (PF) terdiri daripada pengisi konduktif dan matriks resin polimer. Pengumpul arus komposit telah disediakan dengan mencampurkan PE dan PF secara seragam sebagai bahan matriks dengan pengisi konduktif (grafit, karbon hitam), dan sifat fizikal dan kimianya telah dikaji. Graphene ialah bahan berfungsi karbon dua dimensi yang unik dan baru yang dibentuk oleh penghibridan sp2 atom karbon. Ia mempunyai banyak kelebihan seperti kekonduksian ultra-tinggi, luas permukaan tertentu, dan kekuatan mekanikal. Ia boleh menggantikan grafit sebagai bahan aktif elektrod negatif bateri lithium-ion atau sebagai bahan pengumpul semasa.
1.6.2 Pengumpul arus aloi ingatan bentuk nikel titanium
Aloi ingatan bentuk nikel titanium ialah aloi binari yang terdiri daripada nikel dan titanium, yang boleh berubah antara dua fasa kristal yang berbeza dengan perubahan suhu atau tekanan luaran. Aloi ingatan bentuk nikel titanium boleh menyekat perubahan volum bahan aktif semasa mengecas dan menyahcas dengan menukar keadaan fasanya sendiri, dengan itu meningkatkan hayat kitaran bateri.
1.6.3 Pengumpul arus kerajang aluminium bersalut karbon
Pengumpul arus bersalut karbon/kerajang aluminium merujuk kepada pengumpul arus komposit di mana lapisan komposit yang mengandungi karbon disalut pada permukaan kerajang aluminium. Antaranya, lapisan yang mengandungi karbon terdiri daripada gentian karbon dan zarah hitam karbon konduktif yang dirawat dengan dispersan, yang boleh digabungkan dengan ketat dengan kerajang aluminium untuk meningkatkan kekonduksian dan rintangan kakisan elektrod.
Pengumpul semasa adalah salah satu komponen yang sangat diperlukan dan penting dalam bateri litium-ion, dengan pelbagai fungsi membawa bahan aktif elektrod dan mengumpul arus keluaran. Prestasi pengumpul semasa yang disediakan daripada bahan yang berbeza dan proses pengeluaran berbeza-beza, dan kesannya pada bateri litium-ion juga berbeza.