Akım toplayıcı, lityum iyon pillerin vazgeçilmez bileşenlerinden biridir. Sadece aktif malzemeyi taşımakla kalmaz, aynı zamanda lityum iyon pillerin iç direncini azaltmaya yardımcı olan, kulombik verimliliği, döngü stabilitesini ve hız performansını artıran elektrot aktif malzemesi tarafından üretilen akımı da toplayabilir ve üretebilir. pil.
Lityum iyon pil akım toplayıcı
Prensip olarak ideal bir lityum iyon pil akım toplayıcısı aşağıdaki koşulları karşılamalıdır: (1) yüksek iletkenlik; (2) İyi kimyasal ve elektrokimyasal stabilite; (3) Yüksek mekanik mukavemet; (4) Elektrot aktif malzemeleriyle iyi uyumluluk ve bağlanma gücü; (5) Ucuz ve elde edilmesi kolay; (6) Hafif.
Ancak pratik uygulamalarda farklı akım toplayıcı malzemelerin hala çeşitli sorunları vardır ve bu nedenle yukarıda belirtilen çok ölçekli gereksinimleri tam olarak karşılayamamaktadırlar. Bakır, yüksek potansiyellerde oksidasyona eğilimlidir ve negatif elektrot akım toplayıcı olarak kullanıma uygundur; Alüminyum, negatif elektrotlu akım toplayıcı olarak daha ciddi bir korozyon sorununa sahiptir ve pozitif elektrotlu akım toplayıcı olarak kullanılmaya uygundur. Şu anda lityum iyon piller için akım toplayıcı olarak kullanılabilecek malzemeler arasında bakır, alüminyum, nikel ve paslanmaz çelik gibi metal iletken malzemeler, karbon gibi yarı iletken malzemeler ve kompozit malzemeler yer almaktadır.
1.1 Bakır akım toplayıcı
Bakır, iletkenliği gümüşten sonra ikinci olan mükemmel bir metal iletkendir ve bol miktarda kaynak, düşük maliyet, kolay bulunabilirlik ve iyi süneklik gibi birçok avantaja sahiptir. Ancak bakırın daha yüksek potansiyellerde oksidasyona yatkın olduğu göz önüne alındığında, grafit, silikon, kalay ve kobalt kalay alaşımları gibi negatif elektrot aktif malzemeler için akım toplayıcı olarak sıklıkla kullanılır. Yaygın bakır toplayıcılar arasında bakır folyo, köpük bakır, bakır ağ ve üç boyutlu nano bakır dizili toplayıcı bulunur.
1.1.1 Bakır folyo akım toplayıcı
Bakır folyo üretim prosesine göre ayrıca haddelenmiş bakır folyo ve elektrolitik bakır folyoya ayrılabilir. Elektrolitik bakır folyo ile karşılaştırıldığında, haddelenmiş bakır folyo daha yüksek iletkenliğe ve daha iyi uzama etkisine sahiptir. Eğrilik açısından düşük gereksinimleri olan lityum iyon piller, negatif elektrot akım toplayıcı olarak elektrolitik bakır folyoyu seçebilir. Araştırmalar, bakır folyo yüzeyinin pürüzlülüğünün arttırılmasının, akım toplayıcı ile aktif malzeme arasındaki bağlanma mukavemetini arttırmak, aktif malzeme ile akım toplayıcı arasındaki temas direncini azaltmak ve buna bağlı olarak deşarj hızı performansını ve çevrimi iyileştirmek için faydalı olduğunu göstermiştir. pilin stabilitesi.
1.1.2 köpüklü bakır toplayıcı
Köpük bakır, hafiflik, yüksek mukavemet ve tokluk, geniş spesifik yüzey alanı gibi birçok avantaja sahip, süngere benzer bir tür üç boyutlu ağ malzemesidir. Silikon ve kalay negatif elektrot aktif malzemeleri yüksek teorik özgül kapasiteye sahip olmalarına ve lityum-iyon piller için umut verici negatif elektrot aktif malzemeleri olarak kabul edilmelerine rağmen, aynı zamanda büyük hacim değişiklikleri ve döngüsel şarj/deşarj sırasında pulverizasyon gibi dezavantajları da vardır. Pil performansını ciddi şekilde etkiler. Araştırma, köpüklü bakır toplayıcının, şarj ve deşarj işlemi sırasında aktif silikon ve kalay anot malzemelerinin hacim değişimini engelleyebildiğini, tozlaşma olayını yavaşlatabildiğini ve böylece pil performansını artırabildiğini gösteriyor.
1.2 Alüminyum akım toplayıcı
Alüminyum metalin iletkenliği bakıra göre daha düşük olmasına rağmen, aynı miktarda elektriği taşırken alüminyum telin kalitesi bakır telin yalnızca yarısı kadardır. Kuşkusuz, alüminyum akım toplayıcıların kullanılması, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunun iyileştirilmesine yardımcı olabilir. Ayrıca bakırla karşılaştırıldığında alüminyum fiyat olarak daha ucuzdur. Lityum iyon pillerin şarj/deşarj işlemi sırasında, alüminyum folyo akım toplayıcının yüzeyinde, alüminyum folyonun korozyon direncini artıran ve genellikle pozitif elektrot için akım toplayıcı olarak kullanılan yoğun bir oksit filmi oluşur. lityum iyon piller.
Bakır folyo akım toplayıcıları gibi, yüzey işlemi de alüminyum folyonun yüzey özelliklerini iyileştirebilir. Doğru akım aşındırmasından sonra, alüminyum folyonun yüzeyinde pozitif elektrot aktif malzemesine daha sıkı bağlanan ve lityum iyon pillerin elektrokimyasal performansını artıran bir petek yapısı oluşacaktır. Ancak aslında alüminyum akım toplayıcılar, yüzey pasifleştirme filmlerinin tahrip olması nedeniyle sıklıkla ciddi korozyona maruz kalır ve bu da lityum iyon pillerin performansında düşüşe neden olur. Bu nedenle, kazınmış alüminyum folyonun korozyon direncini arttırmak için yüzeyinin optimize edilmesi ve daha stabil bir pasifleştirme filmi oluşturulması gerekmektedir.
1.3 Nikel akım toplayıcı
Nispeten konuşursak, nikel nispeten düşük fiyata, iyi iletkenliğe ve asidik ve alkali çözeltilerde stabiliteye sahip bir baz metaldir. Bu nedenle nikel hem pozitif elektrot akım toplayıcı hem de negatif elektrot akım toplayıcı olarak kullanılabilir. Hem lityum demir fosfat gibi pozitif elektrot aktif malzemeleri hem de nikel oksit, kükürt gibi negatif elektrot aktif malzemeleri ve buna uyan karbon silikon kompozit malzemeleri vardır.
Nikel toplayıcının şekli genellikle köpük nikel ve nikel folyoyu içerir. Köpük nikelin aktif madde ile kanalları ve geniş temas alanı geliştirdiği için aktif madde ile toplayıcı arasındaki temas direnci azalır. Elektrot akım toplayıcı olarak nikel folyo kullanıldığında, şarj/deşarj döngülerinin sayısı arttıkça aktif malzeme ayrılmaya yatkın hale gelir ve bu da pil performansını etkiler. Benzer şekilde yüzey ön işlem prosesi nikel folyolu akım toplayıcılara da uygulanabilir. Nikel folyo akım toplayıcının yüzeyi aşındırıldıktan sonra aktif madde ile akım toplayıcı arasındaki bağlanma gücü önemli ölçüde artar.
Nikel oksit, kararlı yapı, düşük fiyat ve yüksek teorik spesifik kapasite avantajlarına sahiptir ve bu da onu lityum iyon piller için yaygın olarak kullanılan bir negatif elektrot aktif malzemesi haline getirir. Buna dayanarak, köpük nikelin yüzeyinde katı faz oksidasyon yöntemiyle yerinde bir nikel oksit tabakası büyütüldü ve toplayıcı olarak köpük nikelli nikel oksit anot hazırlandı. Nikel folyo/nikel oksit negatif elektrot ile karşılaştırıldığında, köpük nikel/nikel oksit negatif elektrotun ilk deşarjının spesifik kapasitesi önemli ölçüde arttı. Bunun nedeni, iki boyutlu akım toplayıcılarla karşılaştırıldığında, üç boyutlu yapılı akım toplayıcıların arayüz polarizasyon olgusunu azaltması ve pillerin şarj/deşarj döngüsü stabilitesini iyileştirmesidir.
Lityum demir fosfat, iyi güvenliği ve geniş hammadde kaynağı nedeniyle güçlü lityum iyon piller için ideal bir pozitif aktif madde olarak kabul edilir. Köpük nikel toplayıcının yüzeyi üzerine kaplanması, LiFePO4 ile köpük nikel arasındaki temas alanını artırabilir, arayüz reaksiyonunun mevcut yoğunluğunu azaltabilir ve böylece LiFePO4'ün hız deşarj performansını artırabilir.
1.4 Paslanmaz çelik akım toplayıcı
Paslanmaz çelik, nikel, molibden, titanyum, niyobyum, bakır ve demir gibi elementler içeren alaşımlı çeliği ifade eder. İyi iletkenlik ve stabiliteye sahiptir ve hava, buhar ve su gibi zayıf aşındırıcı ortamların yanı sıra asit, alkali ve tuz gibi güçlü aşındırıcı ortamlardan kaynaklanan kimyasal korozyona dayanabilir. Paslanmaz çelik yüzey aynı zamanda yüzeyini korozyondan koruyabilen bir pasivasyon filmi oluşturmaya da eğilimlidir. Aynı zamanda paslanmaz çelik, düşük maliyet, basit proses ve büyük ölçekli üretim gibi avantajlarla bakıra göre daha ince işlenebilmektedir. Paslanmaz çelik, pozitif veya negatif akım toplayıcı olarak kullanılabilir ve yaygın olarak kullanılan paslanmaz çelik akım toplayıcı türleri arasında paslanmaz çelik ağ ve gözenekli paslanmaz çelik bulunur.
1.4.1 Paslanmaz çelik ağ toplayıcı sıvısı
Paslanmaz çelik ağın dokusu yoğundur. Akım toplayıcı olarak kullanıldığında yüzeyi elektrot aktif malzemelerle sarılır ve elektrolitle doğrudan temas etmez, bu da yan reaksiyonlara daha az eğilimli olmasını sağlar ve pilin döngü performansını artırır.
1.4.2 Gözenekli paslanmaz çelik akım toplayıcı
Aktif malzemeleri tam olarak kullanmak ve elektrotların deşarj spesifik kapasitesini geliştirmek için basit ve etkili bir yöntem, gözenekli akım toplayıcıların kullanılmasıdır.
1.5 Karbon akımı toplayıcı
Pozitif veya negatif elektrot akım toplayıcıları olarak karbon malzemeleri kullanıldığında, metal akım toplayıcılarındaki elektrolitin korozyonunu önleyebilir ve bol miktarda kaynak, kolay işlenebilirlik, düşük direnç, çevreye zarar vermeme ve düşük fiyat avantajlarına sahiptir.
Karbon fiber kumaş, mükemmel esnekliği, iletkenliği ve elektrokimyasal stabilitesi nedeniyle esnek lityum iyon piller için akım toplayıcı olarak kullanılabilir. Karbon nanotüpler, hafiflik açısından metal akım toplayıcılara göre bariz avantajlara sahip olan ve pillerin enerji yoğunluğunu önemli ölçüde artırabilen başka bir karbon akım toplayıcı biçimidir.
1.6 Kompozit akım toplayıcı
Bakır toplayıcılar, alüminyum toplayıcılar, nikel toplayıcılar, paslanmaz çelik toplayıcılar ve karbon toplayıcılar gibi tek toplayıcıların yanı sıra iletken reçineler, karbon kaplı alüminyum folyolar ve titanyum gibi kompozit toplayıcılar da son yıllarda bilim adamlarının araştırma ilgisini çekmiştir. Nikel şekil hafızalı alaşımlar.
1.6.1 İletken reçine akım toplayıcı
Polietilen (PE) ve fenolik reçine (PF) akım toplayıcılar, iletken dolgu maddeleri ve bir polimer reçine matrisinden oluşur. Matris malzemeleri olarak PE ve PF'nin iletken dolgu maddeleri (grafit, karbon siyahı) ile homojen bir şekilde karıştırılmasıyla kompozit bir akım toplayıcı hazırlandı ve bunların fiziksel ve kimyasal özellikleri incelendi. Grafen, karbon atomlarının sp2 hibridizasyonuyla oluşan benzersiz ve yeni, iki boyutlu karbon fonksiyonel bir malzemedir. Ultra yüksek iletkenlik, spesifik yüzey alanı ve mekanik dayanım gibi birçok avantajı vardır. Lityum iyon pillerin negatif elektrot aktif malzemesi olarak veya akım toplayıcı malzeme olarak grafitin yerini alabilir.
1.6.2 Titanyum nikel şekil hafızalı alaşımlı akım toplayıcı
Titanyum nikel şekil hafızalı alaşım, dış sıcaklık veya basınçtaki değişikliklerle iki farklı kristal faz arasında dönüşebilen, nikel ve titanyumdan oluşan ikili bir alaşımdır. Titanyum nikel şekil hafızalı alaşım, kendi faz durumunu değiştirerek şarj ve deşarj sırasında aktif maddelerin hacim değişimini bastırabilir, böylece pillerin çevrim ömrünü uzatabilir.
1.6.3 Karbon kaplı alüminyum folyo akım toplayıcı
Karbon kaplı/alüminyum folyo akım toplayıcı, bir alüminyum folyonun yüzeyi üzerine karbon içeren bir kompozit tabakanın kaplandığı bir kompozit akım toplayıcıyı ifade eder. Bunlar arasında, karbon içeren katman, elektrotun iletkenliğini ve korozyon direncini geliştirmek için alüminyum folyo ile sıkı bir şekilde birleştirilebilen, dağıtıcılarla işlenmiş karbon fiberlerden ve iletken karbon siyahı parçacıklarından oluşur.
Akım toplayıcı, elektrot aktif maddelerini taşıma ve çıkış akımını toplama gibi çoklu işlevlere sahip, lityum iyon pillerin vazgeçilmez ve önemli bileşenlerinden biridir. Farklı malzemelerden ve üretim süreçlerinden hazırlanan mevcut toplayıcıların performansı farklılık gösterdiği gibi, lityum iyon piller üzerindeki etkileri de farklıdır.