铜箔铝箔在锂电池的应用优势与控制要点

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

锂离子电池作为新一代绿色高能可充电电池,

具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点,在近10年来取得了飞速发展,

并以其卓越的高性价比优势在全球各国的笔记本电脑、移动电话、摄录机、武器装备等移动电子终端设备领域占据了主导地位,

被认为是21世纪对国民经济和人民生活具有重要意义的高新技术产业。


提升锂离子电池比能量的途径无非是使用更高容量的正负极材料,厚度更薄的隔膜纸,

厚度更薄的铜箔铝箔,尽可能的减少其他辅助添加物。


锂离子电池用铜箔的性能要求

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。

充电时加在电池两极的电势迫使正极的嵌锂化合物释放出锂离子,

通过隔膜后嵌入六方片层结构的石墨负极中;放电时锂离子则从片层结构的石墨中析出,

重新和正极的嵌锂化合物结合,锂离子的移动产生了电流。

锂离子电池的结构和充放电过程化学反应原理虽然很简单,然而在实际的商业化应用中需要考虑很多问题。

例如,正负极材料的导电性能、充放电电位、活性、脱插锂的结构稳定性能、倍率性能和安全性能等,

以及电解液的稳定性、导电性和环境适应性等。


除上述因素外,锂离子电池的内阻必须足够小,只有这样才能保证使用的可靠性和较长的循环寿命。

这不仅取决于正负极活性,而且与集流体有着相当大的关系。


锂离子电池集流体的主要材料是金属箔(如铜箔、铝箔)

其功用是将电池活性物质产生的电流汇集起来,以便形成较大的电流输出,

因此集流体应与活性物质充分接触,并且内阻应尽可能小,

这也是锂离子电池为什么选用价格较高的铜箔和铝箔的主要原因。

铜箔具有良好的导电性、柔韧性和适中的电位,耐卷绕和辗压,生产技术较成熟,

因而成为锂离子电池负极集流体的首选材料。


铜箔在锂离子电池中既是负极活性材料的载体,又是负极电子的收集与传导体,

因此对其有特殊的技术要求,即必须具有良好的导电性,表面能均匀地涂敷负极材料而不脱落,并具有良好的耐蚀性。

为了保证涂敷在电解铜箔上的负极材料不会脱落,在制备时必须加入合适的粘结剂。

据涂布在线了解,目前常用的粘结剂为PVDF、PTFE、SBR、LA133等,

其粘结强度不仅取决于粘合剂本身的物理化学性能,而且与铜箔的表面特性有很大关系。

涂层的粘结强度足够高时,可防止充放电循环过程中负极的粉化脱落,

或因过度膨胀收缩而剥离基片,降低循环容量保持率。

反之,如果粘结强度达不到要求,则随着循环次数的增加,因涂层剥离程度加重而使电池内阻抗不断增大,

循环容量下降加剧。这就要求锂离子电池用铜箔需要具有良好的亲水性。


铜箔铝箔在锂电池的应用优势与控制要点

众所周知,不论3C数码类电池还是新能源汽车动力电池,对比能量与充放电倍率性能的要求越来越高。

最新的国家补贴政策中规定,纯电动客车系统能量密度大于95瓦时/kg,才能拿到100%国补,95瓦时的门槛,

估计让不少磷酸铁锂系电池生产企业的研发人员愁容满面了,“就差5瓦时/kg怎么办?


研发的重点毫无疑问都在更高克容的正负极材料上(合计重量占比50%以上)。

磷酸铁锂已无潜力可挖,三元在向高镍的进军的途中(镍钴锰111—523—622—811—NCA?),

但安全是悬在空中的达摩斯利剑,随时有可能刺破锂电池企业的心脏,

每每前行一步,热汗冷汗交替,做三元研发的兄弟们,真是辛苦啦。


负极方面,只能被动等待硅碳材料的成熟,硅碳的膨胀系数太高怎么办?

寿命不足怎么办?我听取了哇声一片!还有一招,采用更薄的隔膜纸!

但隔膜仅占电池重量的4~5%,隔膜太薄还会导致正负极短路风险增加,结果往往得不偿失。


现阶段,锂离子电池生产使用的常规铜箔厚度8μm~12μm(3C数码类电池用铜箔已有采用6~7μm铜箔),

铝箔的厚度12μm~20μm,作为正负极导电基材占锂离子电池重量的15%~20%,

如何进一步降低铜铝箔的重量比从而提升比能量呢?

于是,微孔铜箔铝箔就是在这样的环境刺激下孕育而生,横空出世!


微孔铜箔铝箔的现有规格(机械加工的方式制孔,保持箔材原有的物理性能,涂布不断裂,0毛刺不渗漏):

一、微孔箔材在锂离子电池的应用具有哪些优势呢?(以孔隙率17%的微孔箔为例)

1、直接有效提升锂电池比能量;

同等规格的箔材,孔隙率17%的微孔箔,重量减少17%;同等面密度,正负极压实提高(部分材料填充进入孔隙间)。


2、有效提升锂电池倍率性能;

常规箔材的锂电池,锂离子的迁移通过箔材二维方向向极耳端扩散,箔材通孔后,

锂离子的扩散路径可转化为立体全方位穿透,且可通过进入到孔隙间的正负极材料与箔材的接触面增加,

缩小锂离子迁移半径,提高导电效率。

(个人观点认为锂离子倍率性能制约瓶颈不在于电子的传导,而在于锂离子转移效率,

如多孔状的科琴碳黑在倍率型电池上的应用效果就比非多孔状的导电剂实验效果更好)


3、有效降低锂电池内阻;

同等箔材做的对比显示,同时使用用冲孔铜箔与铝箔可有效降低内阻8%~20%。

理论依据,推测是导电箔材与正负极接触面增加,同时箔材自身内阻降低的双重效应所致。(不确定)


个人观点认为:

若正负极极片涂层厚度小于箔材微孔的半径,则内阻会增加,反之,则内阻降低。

涂层最外侧的锂离子到箔材表面的接触距离与倍率性能相关,电芯设计中,

面密度高,则倍率性能的发挥可能越低。(欢迎行业朋友共同探讨)


4、锂电池电解液注入后的浸润效率可大幅度提升,且能100%确保浸润一致性。

常规箔材的锂电池,电解液从纵向四周向中心扩散浸润,打孔后是呈立体式渗透扩散,

彻底消除部分电池极片中心浸润不到的问题。

行业内,已有反馈单体电芯一致性不够的原因之一就是浸润一致性引起的。

5、提高了箔材的表面粘附力,通过孔隙间的材料,

正负极极片涂层正反两面材料形成“工”字型咬合状态,极片脱落的概率可大幅度降低。

6、提升极片的弯折柔软度,更适用于柔性电池的应用。(已有公司批量用于制作可穿戴锂电池,性能提升明显)

7、其它优势,尚需用户进一步挖掘。


二、微孔铜箔铝箔在锂离子电池上的控制要点

1、涂布防渗漏;

微孔铜箔铝箔在涂布过程中,要防止浆料粘度过低造成挤压喷涂过程中,浆料从箔材孔隙间渗漏,

不同孔径、孔隙率的箔材对浆料的粘度要求不同。以17%孔隙率,孔径0.35mm的微孔铝箔为例,

通过试验表明,正极材料粘度要求在8000左右,最低不宜低过6000,挤压式喷涂过程中,需要适当调整传动速度。

(浆料静置时间过长,容易少部分渗透到另一面,快速洪干可以解决)。

2、极片分切的毛刺控制;


最后,希望已经完成微孔铜箔或铝箔用于锂离子电池实验的同行朋友们,能够分享数据,共同交流。


另:

微孔铜箔用于锂电容、超级电容、镍镉、镍氢电池,性能提升非常明显,

未规模化推广开来的原因是成本问题。采用机械加工的方式制孔,生产效率极高,

预计规模量产后的成本比常规的双光铜箔价格增幅有限(估计最终售价在13万/吨左右)。

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