Ο συλλέκτης ρεύματος είναι ένα από τα απαραίτητα εξαρτήματα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Μπορεί όχι μόνο να μεταφέρει το ενεργό υλικό, αλλά και να συλλέξει και να εξάγει το ρεύμα που παράγεται από το ενεργό υλικό του ηλεκτροδίου, το οποίο συμβάλλει στη μείωση της εσωτερικής αντίστασης των μπαταριών ιόντων λιθίου, βελτιώνοντας την κουλομβική απόδοση, τη σταθερότητα του κύκλου και την απόδοση του ρυθμού του μπαταρία.
Συλλέκτης ρεύματος μπαταρίας ιόντων λιθίου
Κατ' αρχήν, ένας ιδανικός συλλέκτης ρεύματος μπαταρίας ιόντων λιθίου πρέπει να πληροί τις ακόλουθες προϋποθέσεις: (1) υψηλή αγωγιμότητα. (2) Καλή χημική και ηλεκτροχημική σταθερότητα. (3) Υψηλή μηχανική αντοχή. (4) Καλή συμβατότητα και αντοχή δέσμευσης με ενεργά υλικά ηλεκτροδίων. (5) Φθηνό και εύκολο στην απόκτηση. (6) Ελαφρύ.
Ωστόσο, σε πρακτικές εφαρμογές, διαφορετικά υλικά συλλεκτών ρεύματος εξακολουθούν να έχουν διάφορα προβλήματα, επομένως δεν μπορούν να ανταποκριθούν πλήρως στις απαιτήσεις πολλαπλής κλίμακας που αναφέρθηκαν παραπάνω. Ο χαλκός είναι επιρρεπής σε οξείδωση σε υψηλότερα δυναμικά και είναι κατάλληλος για χρήση ως συλλέκτης ρεύματος αρνητικού ηλεκτροδίου. Το αλουμίνιο, ως συλλέκτης ρεύματος αρνητικού ηλεκτροδίου, έχει πιο σοβαρό πρόβλημα διάβρωσης και είναι κατάλληλο για χρήση ως συλλέκτης ρεύματος θετικού ηλεκτροδίου. Προς το παρόν, τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συλλέκτες ρεύματος για μπαταρίες ιόντων λιθίου περιλαμβάνουν μεταλλικά αγώγιμα υλικά όπως χαλκός, αλουμίνιο, νικέλιο και ανοξείδωτο χάλυβα, υλικά ημιαγωγών όπως άνθρακας και σύνθετα υλικά.
1.1 Συλλέκτης ρεύματος χαλκού
Ο χαλκός είναι ένας εξαιρετικός μεταλλικός αγωγός με αγωγιμότητα δεύτερο μόνο μετά το ασήμι και έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως άφθονους πόρους, χαμηλό κόστος και εύκολη διαθεσιμότητα και καλή ολκιμότητα. Ωστόσο, λαμβάνοντας υπόψη ότι ο χαλκός είναι επιρρεπής σε οξείδωση σε υψηλότερα δυναμικά, χρησιμοποιείται συχνά ως συλλέκτης ρεύματος για ενεργά υλικά με αρνητικά ηλεκτρόδια όπως ο γραφίτης, το πυρίτιο, ο κασσίτερος και τα κράματα κασσίτερου κοβαλτίου. Οι κοινοί συλλέκτες χαλκού περιλαμβάνουν το φύλλο χαλκού, τον αφρώδες χαλκό, το πλέγμα χαλκού και τον τρισδιάστατο συλλέκτη νανο-χαλκού.
1.1.1 Συλλέκτης ρεύματος από φύλλο χαλκού
Σύμφωνα με τη διαδικασία παραγωγής του φύλλου χαλκού, μπορεί περαιτέρω να χωριστεί σε φύλλο χαλκού σε έλαση και σε φύλλο ηλεκτρολυτικού χαλκού. Σε σύγκριση με το ηλεκτρολυτικό φύλλο χαλκού, το φύλλο χαλκού σε έλαση έχει υψηλότερη αγωγιμότητα και καλύτερο αποτέλεσμα επέκτασης. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου με χαμηλές απαιτήσεις για καμπυλότητα μπορούν να επιλέξουν ηλεκτρολυτικό φύλλο χαλκού ως συλλέκτη ρεύματος αρνητικού ηλεκτροδίου. Η έρευνα έχει δείξει ότι η αύξηση της τραχύτητας της επιφάνειας του φύλλου χαλκού είναι ευεργετική για τη βελτίωση της αντοχής συγκόλλησης μεταξύ του συλλέκτη ρεύματος και του ενεργού υλικού, τη μείωση της αντίστασης επαφής μεταξύ του ενεργού υλικού και του συλλέκτη ρεύματος και αντίστοιχα τη βελτίωση της απόδοσης του ρυθμού εκφόρτισης και του κύκλου σταθερότητα της μπαταρίας.
1.1.2 συλλέκτης αφρού χαλκού
Ο αφρός χαλκός είναι ένα είδος τρισδιάστατου υλικού δικτύου παρόμοιο με το σφουγγάρι, το οποίο έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως ελαφρύ βάρος, υψηλή αντοχή και σκληρότητα και μεγάλη ειδική επιφάνεια. Αν και τα ενεργά υλικά με αρνητικά ηλεκτρόδια πυριτίου και κασσίτερου έχουν υψηλή θεωρητική ειδική χωρητικότητα και θεωρούνται ένα από τα πολλά υποσχόμενα αρνητικά ενεργά υλικά ηλεκτροδίων για μπαταρίες ιόντων λιθίου, έχουν επίσης μειονεκτήματα όπως μεγάλες αλλαγές όγκου και κονιοποίηση κατά την κυκλική φόρτιση/εκφόρτιση, τα οποία επηρεάζουν σοβαρά την απόδοση της μπαταρίας. Η έρευνα δείχνει ότι ο συλλέκτης αφρώδους χαλκού μπορεί να εμποδίσει την αλλαγή όγκου των ενεργών υλικών του πυριτίου και της ανόδου κασσιτέρου κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, να επιβραδύνει το φαινόμενο κονιοποίησης και έτσι να βελτιώσει την απόδοση της μπαταρίας.
1.2 Συλλέκτης ρεύματος αλουμινίου
Αν και η αγωγιμότητα του μετάλλου αλουμινίου είναι χαμηλότερη από αυτή του χαλκού, η ποιότητα του σύρματος αλουμινίου είναι μόνο η μισή από εκείνη του χάλκινου σύρματος όταν μεταφέρεται η ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Αναμφίβολα, η χρήση συλλεκτών ρεύματος αλουμινίου μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών ιόντων λιθίου. Επιπλέον, σε σύγκριση με τον χαλκό, το αλουμίνιο είναι φθηνότερο σε τιμή. Κατά τη διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου, σχηματίζεται ένα πυκνό φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια του συλλέκτη ρεύματος από φύλλο αλουμινίου, το οποίο βελτιώνει την αντίσταση στη διάβρωση του φύλλου αλουμινίου και χρησιμοποιείται συχνά ως συλλέκτης ρεύματος για το θετικό ηλεκτρόδιο στο μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Όπως οι συλλέκτες ρεύματος από φύλλο χαλκού, η επιφανειακή επεξεργασία μπορεί επίσης να βελτιώσει τις επιφανειακές ιδιότητες του φύλλου αλουμινίου. Μετά τη χάραξη συνεχούς ρεύματος, θα σχηματιστεί μια δομή κηρήθρας στην επιφάνεια του φύλλου αλουμινίου, η οποία είναι πιο σφιχτά συνδεδεμένη με το ενεργό υλικό του θετικού ηλεκτροδίου και βελτιώνει την ηλεκτροχημική απόδοση των μπαταριών ιόντων λιθίου. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, οι συλλέκτες ρεύματος αλουμινίου συχνά υποφέρουν από σοβαρή διάβρωση λόγω της καταστροφής των επιφανειακών μεμβρανών παθητικοποίησης, που οδηγεί σε μείωση της απόδοσης των μπαταριών ιόντων λιθίου. Επομένως, για να βελτιωθεί η αντοχή στη διάβρωση του χαραγμένου φύλλου αλουμινίου, είναι απαραίτητο να βελτιστοποιηθεί η επιφάνειά του και να σχηματιστεί ένα πιο σταθερό φιλμ παθητικοποίησης.
1.3 Συλλέκτης ρεύματος νικελίου
Σχετικά μιλώντας, το νικέλιο είναι ένα βασικό μέταλλο με σχετικά χαμηλή τιμή, καλή αγωγιμότητα και σταθερότητα σε όξινα και αλκαλικά διαλύματα. Επομένως, το νικέλιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο ως συλλέκτης ρεύματος θετικού ηλεκτροδίου όσο και ως συλλέκτης ρεύματος αρνητικού ηλεκτροδίου. Υπάρχουν τόσο θετικά ηλεκτρόδια ενεργά υλικά, όπως φωσφορικό λίθιο σιδήρου και αρνητικά ενεργά ηλεκτρόδια υλικά, όπως οξείδιο του νικελίου, θείο και σύνθετα υλικά πυριτίου άνθρακα που ταιριάζουν με αυτό.
Το σχήμα του συλλέκτη νικελίου συνήθως περιλαμβάνει αφρώδες νικέλιο και φύλλο νικελίου. Επειδή το αφρώδες νικέλιο έχει αναπτύξει κανάλια και μεγάλη επιφάνεια επαφής με τη δραστική ουσία, η αντίσταση επαφής μεταξύ της δραστικής ουσίας και του συλλέκτη μειώνεται. Όταν χρησιμοποιείτε φύλλο νικελίου ως συλλέκτη ρεύματος ηλεκτροδίου, καθώς αυξάνεται ο αριθμός των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης, το ενεργό υλικό είναι επιρρεπές σε αποκόλληση, γεγονός που επηρεάζει την απόδοση της μπαταρίας. Ομοίως, η διαδικασία προεπεξεργασίας επιφάνειας εφαρμόζεται επίσης σε συλλέκτες ρεύματος από φύλλο νικελίου. Μετά τη χάραξη της επιφάνειας του συλλέκτη ρεύματος από φύλλο νικελίου, η ισχύς σύνδεσης μεταξύ της δραστικής ουσίας και του συλλέκτη ρεύματος ενισχύεται σημαντικά.
Το οξείδιο του νικελίου έχει τα πλεονεκτήματα της σταθερής δομής, της χαμηλής τιμής και της υψηλής θεωρητικής ειδικής χωρητικότητας, καθιστώντας το ευρέως χρησιμοποιούμενο αρνητικό ηλεκτρόδιο ενεργό υλικό για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Με βάση αυτό, ένα στρώμα οξειδίου του νικελίου αναπτύχθηκε επί τόπου στην επιφάνεια του αφρώδους νικελίου με τη μέθοδο οξείδωσης στερεάς φάσης και παρασκευάστηκε άνοδος οξειδίου του νικελίου με αφρώδες νικέλιο ως συλλέκτη. Σε σύγκριση με το φύλλο νικελίου/αρνητικό ηλεκτρόδιο οξειδίου του νικελίου, η ειδική χωρητικότητα της πρώτης εκκένωσης του αρνητικού ηλεκτροδίου αφρού νικελίου/οξειδίου του νικελίου αυξήθηκε σημαντικά. Ο λόγος είναι ότι σε σύγκριση με τους δισδιάστατους συλλέκτες ρεύματος, οι τρισδιάστατοι δομημένοι συλλέκτες ρεύματος μειώνουν τα φαινόμενα πόλωσης της διεπαφής και βελτιώνουν τη σταθερότητα του κύκλου φόρτισης/εκφόρτισης των μπαταριών.
Ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου θεωρείται ως ένα ιδανικό θετικό ενεργό υλικό για την τροφοδοσία μπαταριών ιόντων λιθίου λόγω της καλής ασφάλειας και της ευρείας πηγής πρώτων υλών. Η επίστρωσή του στην επιφάνεια του συλλέκτη αφρού νικελίου μπορεί να αυξήσει την περιοχή επαφής μεταξύ του LiFePO4 και του αφρώδους νικελίου, να μειώσει την τρέχουσα πυκνότητα της αντίδρασης διεπαφής και έτσι να βελτιώσει την απόδοση ρυθμού εκφόρτισης του LiFePO4.
1.4 Συλλέκτης ρεύματος από ανοξείδωτο χάλυβα
Ο ανοξείδωτος χάλυβας αναφέρεται σε κράμα χάλυβα που περιέχει στοιχεία όπως νικέλιο, μολυβδαίνιο, τιτάνιο, νιόβιο, χαλκό και σίδηρο. Έχει καλή αγωγιμότητα και σταθερότητα και μπορεί να αντέξει τη χημική διάβρωση από αδύναμα διαβρωτικά μέσα όπως αέρας, ατμός και νερό, καθώς και από ισχυρά διαβρωτικά μέσα όπως οξύ, αλκάλια και αλάτι. Η επιφάνεια από ανοξείδωτο χάλυβα είναι επίσης επιρρεπής στο σχηματισμό μιας μεμβράνης παθητικοποίησης, η οποία μπορεί να προστατεύσει την επιφάνειά της από τη διάβρωση. Ταυτόχρονα, ο ανοξείδωτος χάλυβας μπορεί να υποστεί επεξεργασία πιο λεπτό από τον χαλκό, με πλεονεκτήματα όπως το χαμηλό κόστος, η απλή διαδικασία και η παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Ο ανοξείδωτος χάλυβας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συλλέκτης θετικού ή αρνητικού ρεύματος και οι συνήθεις τύποι συλλεκτών ρεύματος από ανοξείδωτο χάλυβα περιλαμβάνουν πλέγμα από ανοξείδωτο χάλυβα και πορώδη ανοξείδωτο χάλυβα.
1.4.1 Υγρό συλλέκτη από πλέγμα από ανοξείδωτο χάλυβα
Η υφή του πλέγματος από ανοξείδωτο χάλυβα είναι πυκνή. Όταν χρησιμοποιείται ως συλλέκτης ρεύματος, η επιφάνειά του τυλίγεται από ενεργά υλικά ηλεκτροδίων και δεν έρχεται σε άμεση επαφή με τον ηλεκτρολύτη, καθιστώντας τον λιγότερο επιρρεπή σε πλευρικές αντιδράσεις και βελτιώνοντας την απόδοση του κύκλου της μπαταρίας.
1.4.2 Πορώδης συλλέκτης ρεύματος από ανοξείδωτο χάλυβα
Μια απλή και αποτελεσματική μέθοδος για την πλήρη χρήση ενεργών υλικών και τη βελτίωση της ειδικής ικανότητας εκφόρτισης των ηλεκτροδίων είναι η χρήση πορωδών συλλεκτών ρεύματος.
1.5 Συλλέκτης ρεύματος άνθρακα
Όταν χρησιμοποιείτε υλικά άνθρακα ως συλλέκτες ρεύματος θετικού ή αρνητικού ηλεκτροδίου, μπορεί να αποφύγει τη διάβρωση του ηλεκτρολύτη σε μεταλλικούς συλλέκτες ρεύματος και έχει τα πλεονεκτήματα των άφθονων πόρων, της εύκολης επεξεργασίας, της χαμηλής ειδικής αντίστασης, της μη βλάβης στο περιβάλλον και της χαμηλής τιμής.
Το πανί από ανθρακονήματα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συλλέκτης ρεύματος για εύκαμπτες μπαταρίες ιόντων λιθίου λόγω της εξαιρετικής ευκαμψίας, αγωγιμότητας και ηλεκτροχημικής σταθερότητας. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μια άλλη μορφή συλλέκτη ρεύματος άνθρακα, που έχουν προφανή πλεονεκτήματα σε σχέση με τους μεταλλικούς συλλέκτες ρεύματος από την άποψη του ελαφρού βάρους και μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών.
1.6 Σύνθετος συλλέκτης ρεύματος
Εκτός από μεμονωμένους συλλέκτες όπως συλλέκτες χαλκού, συλλέκτες αλουμινίου, συλλέκτες νικελίου, συλλέκτες από ανοξείδωτο χάλυβα και συλλέκτες άνθρακα, οι σύνθετοι συλλέκτες έχουν προσελκύσει επίσης το ερευνητικό ενδιαφέρον των μελετητών τα τελευταία χρόνια, όπως οι αγώγιμες ρητίνες, τα φύλλα αλουμινίου με επικάλυψη άνθρακα και το τιτάνιο. κράματα μνήμης σε σχήμα νικελίου.
1.6.1 Συλλέκτης ρεύματος αγώγιμου ρητίνης
Οι συλλέκτες ρεύματος πολυαιθυλενίου (PE) και φαινολικής ρητίνης (PF) αποτελούνται από αγώγιμα υλικά πλήρωσης και μια μήτρα πολυμερούς ρητίνης. Παρασκευάστηκε ένας σύνθετος συλλέκτης ρεύματος με ομοιόμορφη ανάμειξη PE και PF ως υλικών μήτρας με αγώγιμα υλικά πλήρωσης (γραφίτης, αιθάλη) και μελετήθηκαν οι φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. Το γραφένιο είναι ένα μοναδικό και νέο δισδιάστατο λειτουργικό υλικό άνθρακα που σχηματίζεται από υβριδισμό sp2 ατόμων άνθρακα. Έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως εξαιρετικά υψηλή αγωγιμότητα, ειδική επιφάνεια και μηχανική αντοχή. Μπορεί να αντικαταστήσει τον γραφίτη ως το αρνητικό ηλεκτρόδιο ενεργό υλικό των μπαταριών ιόντων λιθίου ή ως υλικό συλλέκτη ρεύματος.
1.6.2 Συλλέκτης ρεύματος από κράμα μνήμης σχήματος νικελίου τιτανίου
Το κράμα μνήμης σχήματος νικελίου τιτανίου είναι ένα δυαδικό κράμα που αποτελείται από νικέλιο και τιτάνιο, το οποίο μπορεί να μετασχηματιστεί μεταξύ δύο διαφορετικών κρυσταλλικών φάσεων με αλλαγές στην εξωτερική θερμοκρασία ή πίεση. Το κράμα μνήμης σχήματος νικελίου τιτανίου μπορεί να καταστείλει την αλλαγή όγκου των δραστικών ουσιών κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση αλλάζοντας τη δική του κατάσταση φάσης, βελτιώνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής των μπαταριών.
1.6.3 Συλλέκτης ρεύματος από φύλλο αλουμινίου με επίστρωση άνθρακα
Ο συλλέκτης ρεύματος με επίστρωση άνθρακα/ φύλλο αλουμινίου αναφέρεται σε έναν σύνθετο συλλέκτη ρεύματος στον οποίο ένα σύνθετο στρώμα που περιέχει άνθρακα είναι επικαλυμμένο στην επιφάνεια ενός φύλλου αλουμινίου. Μεταξύ αυτών, το στρώμα που περιέχει άνθρακα αποτελείται από ίνες άνθρακα και αγώγιμα σωματίδια αιθάλης επεξεργασμένα με διασκορπιστικά, τα οποία μπορούν να συνδυαστούν στενά με φύλλο αλουμινίου για να βελτιωθεί η αγωγιμότητα και η αντίσταση στη διάβρωση του ηλεκτροδίου.
Ο συλλέκτης ρεύματος είναι ένα από τα απαραίτητα και σημαντικά εξαρτήματα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, με πολλαπλές λειτουργίες μεταφοράς ενεργών υλικών ηλεκτροδίων και συλλογής ρεύματος εξόδου. Η απόδοση των συλλεκτών ρεύματος που παρασκευάζονται από διαφορετικά υλικά και διαδικασίες παραγωγής ποικίλλει και η επίδρασή τους στις μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι επίσης διαφορετική.