集電体はリチウムイオン電池に欠かせない部品の一つです。活物質を運ぶだけでなく、電極活物質によって生成された電流を収集して出力することもできるため、リチウムイオン電池の内部抵抗を低減し、クーロン効率、サイクル安定性、およびレート性能を向上させることができます。バッテリー。
リチウムイオン電池集電体
原則として、理想的なリチウムイオン電池の集電体は次の条件を満たす必要があります。(1) 高い導電性。 (2) 良好な化学的および電気化学的安定性。 (3) 機械的強度が高い。 （４）電極活物質との相溶性及び結合強度が良好であること。 (5) 安価で入手しやすい。 (6)軽量です。
しかし、実際の応用では、異なる集電体材料には依然としてさまざまな問題があり、前述のマルチスケール要件を完全に満たすことはできません。銅は高電位では酸化しやすいため、負極集電体としての使用に適しています。負極集電体としてのアルミニウムは、より深刻な腐食の問題を抱えているため、正極集電体としての使用に適している。現在、リチウムイオン電池の集電体として使用できる材料としては、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレスなどの金属導体材料、カーボンなどの半導体材料、複合材料などが挙げられます。
1.1 銅集電体
銅は銀に次ぐ導電性を有する優れた金属導体であり、豊富な資源、低コストで入手しやすいこと、延性が良いことなど多くの利点を持っています。ただし、銅は高電位では酸化しやすいため、黒鉛、シリコン、錫、コバルト錫合金などの負極活物質の集電体としてよく使用されます。一般的な銅コレクターには、銅箔、発泡銅、銅メッシュ、および 3 次元ナノ銅アレイ コレクターが含まれます。
1.1.1 銅箔集電体
銅箔はその製造方法により、さらに圧延銅箔と電解銅箔に分けられます。圧延銅箔は電解銅箔に比べて導電性が高く、延伸効果が優れています。曲率の要件が低いリチウムイオン電池では、負極集電体として電解銅箔を選択できます。研究によると、銅箔の表面の粗さを大きくすると、集電体と活物質の間の結合強度が向上し、活物質と集電体の間の接触抵抗が減少し、それに応じて定格放電性能とサイクルが向上するのに有益であることが示されています。バッテリーの安定性。
1.1.2 発泡銅コレクター
発泡銅はスポンジに似た三次元網目状材料の一種で、軽量、高強度、高靭性、大きな比表面積など多くの利点を持っています。シリコンやスズの負極活物質は、理論比容量が高く、リチウムイオン電池用負極活物質として有望視されていますが、充放電を繰り返すと体積変化が大きく粉砕しやすいという欠点もあります。バッテリーの性能に重大な影響を与えます。この研究では、発泡銅集電体が充放電プロセス中のシリコンおよびスズ負極の活物質の体積変化を抑制し、粉砕現象を遅らせ、電池の性能を向上させることができることを示しています。
1.2 アルミニウム集電体
アルミニウム金属の導電率は銅よりも低いですが、同じ量の電気を輸送する場合、アルミニウム線の品質は銅線の半分しかありません。間違いなく、アルミニウム集電体の使用は、リチウムイオン電池のエネルギー密度の向上に役立ちます。また、アルミニウムは銅に比べて価格が安いです。リチウムイオン電池の充放電プロセス中に、アルミニウム箔集電体の表面に緻密な酸化膜が形成され、これによりアルミニウム箔の耐食性が向上し、リチウムイオン電池の正極集電体としてよく使用されます。リチウムイオン電池。
銅箔集電体と同様に、表面処理によりアルミニウム箔の表面特性も改善できます。直流エッチング後、アルミニウム箔の表面にハニカム構造が形成され、正極活物質とより強固に結合し、リチウムイオン電池の電気化学的性能が向上します。しかし実際には、アルミニウム集電体は表面不動態膜の破壊により激しい腐食を受けることが多く、リチウムイオン電池の性能低下につながります。したがって、エッチングアルミ箔の耐食性を向上させるためには、その表面を最適化し、より安定した不動態皮膜を形成する必要があります。
1.3 ニッケル集電体
比較的言えば、ニッケルは比較的安価で、導電性が高く、酸性およびアルカリ性溶液中での安定性を備えた卑金属です。したがって、ニッケルは正極集電体としても負極集電体としても使用できる。リン酸鉄リチウムなどの正極活物質と、それに適合する酸化ニッケル、硫黄、炭素ケイ素複合材料などの負極活物質があります。
ニッケル集電体の形状としては、発泡ニッケルやニッケル箔などが一般的です。発泡ニッケルは溝が発達し活物質との接触面積が大きいため、活物質と集電体との接触抵抗が低減されます。電極集電体としてニッケル箔を使用した場合、充放電サイクル数が増えると活物質が剥離しやすくなり、電池性能に影響を及ぼします。同様に、表面前処理プロセスはニッケル箔集電体にも適用できます。ニッケル箔集電体の表面をエッチングすると、活物質と集電体の結合強度が大幅に向上します。
酸化ニッケルは、安定した構造、低価格、高い理論比容量という利点を備えており、リチウムイオン電池の負極活物質として広く使用されています。これに基づいて、固相酸化法により発泡ニッケルの表面に酸化ニッケルの層をその場成長させ、集電体として発泡ニッケルを備えた酸化ニッケル負極を作製した。ニッケル箔/酸化ニッケル負極と比較して、発泡ニッケル/酸化ニッケル負極の初回放電の比容量は大幅に増加しました。その理由は、二次元集電体と比較して、三次元構造集電体は界面分極現象を軽減し、電池の充放電サイクル安定性を向上させるためです。
リン酸鉄リチウムは、その優れた安全性と幅広い原料供給源から、動力用リチウムイオン電池にとって理想的な正極活物質と考えられています。発泡ニッケル集電体の表面にそれをコーティングすると、LiFePO4と発泡ニッケルの間の接触面積が増加し、界面反応の電流密度が減少し、したがってLiFePO4の率放電性能が向上します。
1.4 ステンレス鋼集電体
ステンレス鋼とは、ニッケル、モリブデン、チタン、ニオブ、銅、鉄などの元素を含む合金鋼を指します。良好な導電性と安定性を有し、空気、蒸気、水などの弱い腐食性媒体から、酸、アルカリ、塩などの強い腐食性媒体に対する化学腐食に耐えます。ステンレス鋼の表面は、表面を腐食から保護する不動態皮膜を形成しやすいです。同時に、ステンレス鋼は銅よりも薄く加工できるため、低コスト、単純なプロセス、大量生産などの利点があります。ステンレス鋼は正または負の集電体として使用でき、一般的なタイプのステンレス鋼集電体にはステンレス鋼メッシュや多孔質ステンレス鋼が含まれます。
1.4.1 ステンレスメッシュコレクター液
ステンレスメッシュの質感は緻密です。集電体として使用すると、その表面が電極活物質で包まれ、電解液と直接接触しないため、副反応が起こりにくくなり、電池のサイクル性能が向上します。
1.4.2 多孔質ステンレス鋼集電体
活物質を十分に活用し、電極の放電比容量を向上させるための簡単で効果的な方法は、多孔質集電体を使用することです。
1.5 カーボン集電体
炭素材料を正極または負極集電体として使用すると、金属集電体の電解質の腐食を回避でき、資源が豊富で、加工が容易で、抵抗率が低く、環境に害がなく、価格が安いという利点があります。
炭素繊維布は、その優れた柔軟性、導電性、電気化学的安定性により、フレキシブルなリチウムイオン電池の集電体として使用できます。カーボン ナノチューブはカーボン集電体の別の形式であり、軽量の点で金属集電体に比べて明らかな利点があり、電池のエネルギー密度を大幅に向上させることができます。
1.6 複合集電体
近年では、銅集電体、アルミニウム集電体、ニッケル集電体、ステンレス鋼集電体、カーボン集電体などの単体集電体に加えて、導電性樹脂、カーボンコートアルミ箔、チタンなどの複合集電体も研究者の注目を集めています。ニッケル形状記憶合金。
1.6.1 導電性樹脂集電体
ポリエチレン (PE) およびフェノール樹脂 (PF) 集電体は、導電性フィラーとポリマー樹脂マトリックスで構成されています。マトリックス材料としてPEとPFを導電性フィラー（グラファイト、カーボンブラック）と均一に混合して複合集電体を調製し、その物理的および化学的特性を研究しました。グラフェンは、炭素原子のsp2混成により形成されるユニークで新規な二次元炭素機能材料です。超高導電性、比表面積、機械的強度など多くの利点を持っています。リチウムイオン電池の負極活物質または集電体材料としてグラファイトに代わる可能性があります。
1.6.2 チタンニッケル形状記憶合金集電体
チタン ニッケル形状記憶合金は、ニッケルとチタンで構成される二元合金で、外部の温度または圧力の変化により 2 つの異なる結晶相の間で変態します。チタンニッケル形状記憶合金は、自身の相状態を変化させることで充放電時の活物質の体積変化を抑制し、電池のサイクル寿命を向上させることができます。
1.6.3 炭素被覆アルミニウム箔集電体
炭素被覆／アルミニウム箔集電体とは、アルミニウム箔の表面に炭素含有複合層が被覆された複合集電体を指す。このうち、炭素含有層は炭素繊維と分散剤で処理された導電性カーボンブラック粒子で構成されており、アルミニウム箔としっかりと結合して電極の導電性と耐食性を向上させることができます。
集電体は、電極活物質の担持と出力電流の収集という複数の機能を備え、リチウムイオン電池に不可欠かつ重要な部品の1つです。材料や製造プロセスが異なると集電体の性能も異なり、リチウムイオン電池への影響も異なります。