Le collecteur de courant est l'un des composants indispensables des batteries lithium-ion. Il peut non seulement transporter le matériau actif, mais également collecter et produire le courant généré par le matériau actif de l'électrode, ce qui contribue à réduire la résistance interne des batteries lithium-ion, à améliorer l'efficacité coulombienne, la stabilité du cycle et les performances de débit du batterie.
Collecteur de courant pour batterie lithium-ion
En principe, un collecteur de courant de batterie lithium-ion idéal doit remplir les conditions suivantes : (1) conductivité élevée ; (2) Bonne stabilité chimique et électrochimique ; (3) Résistance mécanique élevée ; (4) Bonne compatibilité et force de liaison avec les matériaux actifs d’électrode ; (5) Bon marché et facile à obtenir ; (6) Léger.
Cependant, dans les applications pratiques, différents matériaux de collecteurs de courant présentent encore divers problèmes, de sorte qu'ils ne peuvent pas répondre pleinement aux exigences multi-échelles mentionnées ci-dessus. Le cuivre est sujet à l'oxydation à des potentiels plus élevés et peut être utilisé comme collecteur de courant d'électrode négative ; L'aluminium, en tant que collecteur de courant d'électrode négative, présente un problème de corrosion plus grave et peut être utilisé comme collecteur de courant d'électrode positive. À l'heure actuelle, les matériaux pouvant être utilisés comme collecteurs de courant pour les batteries lithium-ion comprennent des matériaux conducteurs métalliques tels que le cuivre, l'aluminium, le nickel et l'acier inoxydable, des matériaux semi-conducteurs tels que le carbone et des matériaux composites.
1.1 Collecteur de courant en cuivre
Le cuivre est un excellent conducteur métallique avec une conductivité juste derrière l'argent et présente de nombreux avantages tels que des ressources abondantes, un faible coût et une disponibilité facile, ainsi qu'une bonne ductilité. Cependant, étant donné que le cuivre est sujet à l'oxydation à des potentiels plus élevés, il est souvent utilisé comme collecteur de courant pour les matériaux actifs d'électrodes négatives tels que les alliages de graphite, de silicium, d'étain et de cobalt-étain. Les collecteurs de cuivre courants comprennent les feuilles de cuivre, les mousses de cuivre, les mailles de cuivre et les collecteurs tridimensionnels en nano-cuivre.
1.1.1 Collecteur de courant en feuille de cuivre
Selon le processus de production de la feuille de cuivre, elle peut être divisée en feuille de cuivre laminée et feuille de cuivre électrolytique. Par rapport à la feuille de cuivre électrolytique, la feuille de cuivre laminée a une conductivité plus élevée et un meilleur effet d'extension. Les batteries lithium-ion ayant de faibles exigences en matière de courbure peuvent choisir une feuille de cuivre électrolytique comme collecteur de courant d'électrode négative. La recherche a montré que l'augmentation de la rugosité de la surface de la feuille de cuivre est bénéfique pour améliorer la force de liaison entre le collecteur de courant et le matériau actif, réduire la résistance de contact entre le matériau actif et le collecteur de courant et améliorer en conséquence les performances et le cycle de décharge. stabilité de la batterie.
1.1.2 collecteur de mousse de cuivre
La mousse de cuivre est une sorte de matériau de réseau tridimensionnel similaire à l'éponge, qui présente de nombreux avantages tels qu'un poids léger, une résistance et une ténacité élevées, ainsi qu'une grande surface spécifique. Bien que les matériaux actifs d'électrode négative en silicium et en étain aient une capacité spécifique théorique élevée et soient considérés comme l'un des matériaux actifs d'électrode négative prometteurs pour les batteries lithium-ion, ils présentent également des inconvénients tels que des changements de volume importants et une pulvérisation pendant la charge/décharge cyclique, ce qui affecter sérieusement les performances de la batterie. La recherche montre que le collecteur de mousse de cuivre peut inhiber le changement de volume des matériaux actifs de l'anode en silicium et en étain pendant le processus de charge et de décharge, ralentir le phénomène de pulvérisation et ainsi améliorer les performances de la batterie.
1.2 Collecteur de courant en aluminium
Bien que la conductivité de l'aluminium métallique soit inférieure à celle du cuivre, la qualité du fil d'aluminium n'est que la moitié de celle du fil de cuivre pour transporter la même quantité d'électricité. Sans aucun doute, l’utilisation de collecteurs de courant en aluminium peut contribuer à améliorer la densité énergétique des batteries lithium-ion. De plus, comparé au cuivre, l’aluminium est moins cher. Pendant le processus de charge/décharge des batteries lithium-ion, un film d'oxyde dense se forme sur la surface du collecteur de courant en feuille d'aluminium, ce qui améliore la résistance à la corrosion de la feuille d'aluminium et est souvent utilisé comme collecteur de courant pour l'électrode positive dans batteries lithium-ion.
Comme pour les collecteurs de courant en feuille de cuivre, le traitement de surface peut également améliorer les propriétés de surface de la feuille d'aluminium. Après la gravure en courant continu, une structure en nid d'abeille se formera à la surface de la feuille d'aluminium, qui sera plus étroitement liée au matériau actif de l'électrode positive et améliorera les performances électrochimiques des batteries lithium-ion. Cependant, en réalité, les collecteurs de courant en aluminium souffrent souvent d'une corrosion sévère due à la destruction des films de passivation de surface, entraînant une diminution des performances des batteries lithium-ion. Par conséquent, afin d’améliorer la résistance à la corrosion de la feuille d’aluminium gravée, il est nécessaire d’optimiser sa surface et de former un film de passivation plus stable.
1.3 Collecteur de courant en nickel
Relativement parlant, le nickel est un métal de base avec un prix relativement bas, une bonne conductivité et une stabilité dans les solutions acides et alcalines. Par conséquent, le nickel peut être utilisé à la fois comme collecteur de courant d’électrode positive et comme collecteur de courant d’électrode négative. Il existe à la fois des matériaux actifs d'électrode positive tels que le phosphate de fer lithium et des matériaux actifs d'électrode négative tels que l'oxyde de nickel, le soufre et les matériaux composites carbone-silicium qui lui correspondent.
La forme du collecteur de nickel comprend généralement du nickel en mousse et une feuille de nickel. Étant donné que la mousse de nickel a développé des canaux et une grande surface de contact avec la substance active, la résistance de contact entre la substance active et le collecteur est réduite. Lors de l'utilisation d'une feuille de nickel comme collecteur de courant d'électrode, à mesure que le nombre de cycles de charge/décharge augmente, le matériau actif a tendance à se détacher, ce qui affecte les performances de la batterie. De même, le processus de prétraitement de surface s'applique également aux collecteurs de courant en feuille de nickel. Après avoir gravé la surface du collecteur de courant en feuille de nickel, la force de liaison entre la substance active et le collecteur de courant est considérablement améliorée.
L'oxyde de nickel présente les avantages d'une structure stable, d'un prix bas et d'une capacité spécifique théorique élevée, ce qui en fait un matériau actif d'électrode négative largement utilisé pour les batteries lithium-ion. Sur cette base, une couche d'oxyde de nickel a été cultivée in situ sur la surface de la mousse de nickel par un procédé d'oxydation en phase solide, et une anode d'oxyde de nickel avec une mousse de nickel comme collecteur a été préparée. Par rapport à l'électrode négative en feuille de nickel/oxyde de nickel, la capacité spécifique de la première décharge de l'électrode négative en mousse de nickel/oxyde de nickel a augmenté de manière significative. La raison en est que, par rapport aux collecteurs de courant bidimensionnels, les collecteurs de courant structurés en trois dimensions réduisent les phénomènes de polarisation d'interface et améliorent la stabilité du cycle de charge/décharge des batteries.
Le phosphate de fer et de lithium est considéré comme un matériau actif positif idéal pour alimenter les batteries lithium-ion en raison de sa bonne sécurité et de sa large source de matières premières. Le recouvrir sur la surface du collecteur de mousse de nickel peut augmenter la zone de contact entre LiFePO4 et la mousse de nickel, réduire la densité de courant de la réaction d'interface et ainsi améliorer les performances de décharge de LiFePO4.
1.4 Collecteur de courant en acier inoxydable
L'acier inoxydable fait référence à l'acier allié contenant des éléments tels que le nickel, le molybdène, le titane, le niobium, le cuivre et le fer. Il a une bonne conductivité et stabilité et peut résister à la corrosion chimique causée par des milieux corrosifs faibles tels que l'air, la vapeur et l'eau, ainsi que par des milieux corrosifs forts tels que l'acide, l'alcali et le sel. La surface de l'acier inoxydable a également tendance à former un film de passivation, qui peut protéger sa surface de la corrosion. Dans le même temps, l’acier inoxydable peut être traité plus finement que le cuivre, avec des avantages tels qu’un faible coût, un processus simple et une production à grande échelle. L'acier inoxydable peut être utilisé comme collecteur de courant positif ou négatif, et les types courants de collecteurs de courant en acier inoxydable comprennent les treillis en acier inoxydable et l'acier inoxydable poreux.
1.4.1 Fluide collecteur à mailles en acier inoxydable
La texture du treillis en acier inoxydable est dense. Lorsqu'elle est utilisée comme collecteur de courant, sa surface est enveloppée de matériaux actifs d'électrode et n'entre pas en contact direct avec l'électrolyte, ce qui la rend moins sujette aux réactions secondaires et améliore les performances de cyclage de la batterie.
1.4.2 Collecteur de courant poreux en acier inoxydable
Une méthode simple et efficace pour utiliser pleinement les matériaux actifs et améliorer la capacité spécifique de décharge des électrodes consiste à utiliser des collecteurs de courant poreux.
1.5 Collecteur de courant de carbone
Lors de l'utilisation de matériaux carbonés comme collecteurs de courant d'électrodes positives ou négatives, il peut éviter la corrosion de l'électrolyte sur les collecteurs de courant métalliques et présente les avantages de ressources abondantes, d'un traitement facile, d'une faible résistivité, d'un aucun danger pour l'environnement et d'un prix bas.
Le tissu en fibre de carbone peut être utilisé comme collecteur de courant pour les batteries lithium-ion flexibles en raison de son excellente flexibilité, conductivité et stabilité électrochimique. Les nanotubes de carbone sont une autre forme de collecteur de courant au carbone, qui présente des avantages évidents par rapport aux collecteurs de courant métalliques en termes de légèreté et peut améliorer considérablement la densité énergétique des batteries.
1.6 Collecteur de courant composite
En plus des collecteurs simples tels que les collecteurs en cuivre, les collecteurs en aluminium, les collecteurs en nickel, les collecteurs en acier inoxydable et les collecteurs en carbone, les collecteurs composites ont également suscité l'intérêt des chercheurs ces dernières années, comme les résines conductrices, les feuilles d'aluminium recouvertes de carbone et le titane. alliages de nickel à mémoire de forme.
1.6.1 Collecteur de courant en résine conductrice
Les collecteurs de courant en polyéthylène (PE) et en résine phénolique (PF) sont composés de charges conductrices et d'une matrice de résine polymère. Un collecteur de courant composite a été préparé en mélangeant uniformément du PE et du PF comme matériaux de matrice avec des charges conductrices (graphite, noir de carbone), et leurs propriétés physiques et chimiques ont été étudiées. Le graphène est un matériau fonctionnel carboné bidimensionnel unique et nouveau formé par hybridation sp2 d’atomes de carbone. Il présente de nombreux avantages tels qu’une conductivité ultra-élevée, une surface spécifique et une résistance mécanique. Il peut remplacer le graphite comme matériau actif d’électrode négative des batteries lithium-ion ou comme matériau collecteur de courant.
1.6.2 Collecteur de courant en alliage de titane et de nickel à mémoire de forme
L'alliage titane-nickel à mémoire de forme est un alliage binaire composé de nickel et de titane, qui peut se transformer entre deux phases cristallines différentes avec des changements de température ou de pression externe. L'alliage de titane et de nickel à mémoire de forme peut supprimer le changement de volume des substances actives pendant la charge et la décharge en modifiant son propre état de phase, améliorant ainsi la durée de vie des batteries.
1.6.3 Collecteur de courant en feuille d'aluminium recouvert de carbone
Le collecteur de courant recouvert de carbone/feuille d'aluminium fait référence à un collecteur de courant composite dans lequel une couche composite contenant du carbone est enduite sur la surface d'une feuille d'aluminium. Parmi eux, la couche contenant du carbone est composée de fibres de carbone et de particules conductrices de noir de carbone traitées avec des dispersants, qui peuvent être étroitement combinées avec une feuille d'aluminium pour améliorer la conductivité et la résistance à la corrosion de l'électrode.
Le collecteur de courant est l'un des composants indispensables et importants des batteries lithium-ion, avec de multiples fonctions de transport de matériaux actifs d'électrode et de collecte du courant de sortie. Les performances des collecteurs de courant préparés à partir de différents matériaux et processus de production varient, et leur impact sur les batteries lithium-ion est également différent.