Strāvas kolektors ir viena no neaizstājamām litija jonu akumulatoru sastāvdaļām. Tas var ne tikai pārvadāt aktīvo materiālu, bet arī savākt un izvadīt elektrodu aktīvā materiāla radīto strāvu, kas veicina litija jonu akumulatoru iekšējās pretestības samazināšanos, uzlabo kulonu efektivitāti, cikla stabilitāti un ātruma veiktspēju. akumulators.
Litija jonu akumulatora strāvas savācējs
Principā ideālam litija jonu akumulatora strāvas kolektoram jāatbilst šādiem nosacījumiem: (1) augsta vadītspēja; (2) laba ķīmiskā un elektroķīmiskā stabilitāte; (3) augsta mehāniskā izturība; (4) laba savietojamība un saistīšanās izturība ar elektrodu aktīvajiem materiāliem; (5) lēti un viegli iegūt; (6) Viegls.
Tomēr praktiskā pielietojumā dažādiem strāvas kolektoru materiāliem joprojām ir dažādas problēmas, tāpēc tie nevar pilnībā atbilst iepriekš minētajām daudzu mērogu prasībām. Varš ir pakļauts oksidācijai pie lielāka potenciāla un ir piemērots izmantošanai kā negatīva elektroda strāvas savācējs; Alumīnijam kā negatīva elektroda strāvas kolektoram ir nopietnāka korozijas problēma, un tas ir piemērots izmantošanai kā pozitīva elektroda strāvas kolektors. Pašlaik materiāli, kurus var izmantot kā litija jonu akumulatoru strāvas kolektorus, ir tādi metāla vadu materiāli kā varš, alumīnijs, niķelis un nerūsējošais tērauds, pusvadītāju materiāli, piemēram, ogleklis, un kompozītmateriāli.
1.1 Vara strāvas savācējs
Varš ir lielisks metāla vadītājs ar vadītspēju, kas ir otrs pēc sudraba, un tam ir daudz priekšrocību, piemēram, bagātīgi resursi, zemas izmaksas un viegla pieejamība, kā arī laba elastība. Tomēr, ņemot vērā, ka varš ir pakļauts oksidācijai ar augstāku potenciālu, to bieži izmanto kā strāvas savācēju negatīviem elektrodu aktīviem materiāliem, piemēram, grafīta, silīcija, alvas un kobalta alvas sakausējumiem. Parastie vara kolektori ietver vara foliju, putu varu, vara sietu un trīsdimensiju nano vara masīvu kolektoru.
1.1.1 Vara folijas strāvas savācējs
Saskaņā ar vara folijas ražošanas procesu to var iedalīt velmētā vara folijā un elektrolītiskā vara folijā. Salīdzinot ar elektrolītisko vara foliju, velmētai vara folijai ir augstāka vadītspēja un labāks pagarinājuma efekts. Litija jonu akumulatori ar zemām prasībām attiecībā uz izliekumu var izvēlēties elektrolītisko vara foliju kā negatīvo elektrodu strāvas savācēju. Pētījumi ir parādījuši, ka vara folijas virsmas raupjuma palielināšana ir izdevīga, lai uzlabotu savienojuma izturību starp strāvas kolektoru un aktīvo materiālu, samazinātu kontakta pretestību starp aktīvo materiālu un strāvas kolektoru un attiecīgi uzlabotu ātruma izlādes veiktspēju un ciklu. akumulatora stabilitāte.
1.1.2 putu vara kolektors
Putu varš ir sava veida trīsdimensiju tīkla materiāls, kas līdzīgs sūklim, kam ir daudz priekšrocību, piemēram, viegls svars, augsta izturība un stingrība, kā arī liels īpatnējais virsmas laukums. Lai gan silīcija un alvas negatīvo elektrodu aktīvajiem materiāliem ir augsta teorētiskā īpatnējā kapacitāte un tie tiek uzskatīti par vienu no daudzsološajiem litija jonu akumulatoru negatīvo elektrodu aktīvajiem materiāliem, tiem ir arī trūkumi, piemēram, lielas tilpuma izmaiņas un pulverizācija cikliskās uzlādes/izlādes laikā. nopietni ietekmēt akumulatora veiktspēju. Pētījumi liecina, ka putu vara kolektors var kavēt silīcija un alvas anoda aktīvo materiālu tilpuma izmaiņas uzlādes un izlādes procesā, palēnināt pulverizācijas parādību un tādējādi uzlabot akumulatora veiktspēju.
1.2 Alumīnija strāvas kolektors
Lai gan alumīnija metāla vadītspēja ir zemāka nekā vara, alumīnija stieples kvalitāte ir tikai puse no vara stieples, transportējot tādu pašu elektroenerģijas daudzumu. Neapšaubāmi, alumīnija strāvas kolektoru izmantošana var palīdzēt uzlabot litija jonu akumulatoru enerģijas blīvumu. Turklāt, salīdzinot ar varu, alumīnijs ir lētāks par cenu. Litija jonu akumulatoru uzlādes/izlādes procesā uz alumīnija folijas strāvas kolektora virsmas veidojas blīva oksīda plēve, kas uzlabo alumīnija folijas izturību pret koroziju un bieži tiek izmantota kā strāvas kolektors pozitīvajam elektrodam. litija jonu akumulatori.
Tāpat kā vara folijas strāvas kolektori, arī virsmas apstrāde var uzlabot alumīnija folijas virsmas īpašības. Pēc līdzstrāvas kodināšanas uz alumīnija folijas virsmas veidosies šūnveida struktūra, kas ir ciešāk saistīta ar pozitīvā elektroda aktīvo materiālu un uzlabo litija jonu akumulatoru elektroķīmisko veiktspēju. Tomēr patiesībā alumīnija strāvas kolektori bieži cieš no smagas korozijas virsmas pasivācijas plēvju iznīcināšanas dēļ, kā rezultātā samazinās litija jonu akumulatoru veiktspēja. Tāpēc, lai uzlabotu kodinātās alumīnija folijas izturību pret koroziju, ir nepieciešams optimizēt tās virsmu un veidot stabilāku pasivācijas plēvi.
1.3 Niķeļa strāvas savācējs
Salīdzinoši runājot, niķelis ir parastais metāls ar salīdzinoši zemu cenu, labu vadītspēju un stabilitāti skābos un sārmainos šķīdumos. Tāpēc niķeli var izmantot gan kā pozitīvu elektrodu strāvas savācēju, gan kā negatīvu elektrodu strāvas kolektoru. Tam atbilst gan pozitīvie elektrodu aktīvie materiāli, piemēram, litija dzelzs fosfāts, gan negatīvo elektrodu aktīvie materiāli, piemēram, niķeļa oksīda, sēra un oglekļa silīcija kompozītmateriāli.
Niķeļa savācēja formā parasti ietilpst putu niķelis un niķeļa folija. Tā kā putu niķelim ir izveidojušies kanāli un liels saskares laukums ar aktīvo vielu, kontakta pretestība starp aktīvo vielu un kolektoru ir samazināta. Izmantojot niķeļa foliju kā elektrodu strāvas savācēju, palielinoties uzlādes/izlādes ciklu skaitam, aktīvajam materiālam ir tendence atdalīties, kas ietekmē akumulatora veiktspēju. Līdzīgi virsmas pirmapstrādes process ir piemērojams arī niķeļa folijas strāvas kolektoriem. Pēc niķeļa folijas strāvas kolektora virsmas kodināšanas ievērojami uzlabojas savienojuma stiprība starp aktīvo vielu un strāvas kolektoru.
Niķeļa oksīda priekšrocības ir stabila struktūra, zema cena un augsta teorētiskā īpatnējā jauda, padarot to par plaši izmantotu negatīvo elektrodu aktīvo materiālu litija jonu akumulatoriem. Pamatojoties uz to, uz putu niķeļa virsmas ar cietās fāzes oksidācijas metodi in situ tika uzaudzēts niķeļa oksīda slānis un sagatavots niķeļa oksīda anods ar putu niķeli kā savācēju. Salīdzinot ar niķeļa folijas/niķeļa oksīda negatīvo elektrodu, putu niķeļa/niķeļa oksīda negatīvā elektroda pirmās izlādes īpatnējā jauda ievērojami palielinājās. Iemesls ir tāds, ka, salīdzinot ar divdimensiju strāvas kolektoriem, trīsdimensiju strukturēti strāvas kolektori samazina saskarnes polarizācijas parādības un uzlabo akumulatoru uzlādes/izlādes cikla stabilitāti.
Litija dzelzs fosfāts tiek uzskatīts par ideālu pozitīvu aktīvo materiālu litija jonu akumulatoriem, jo tam ir laba drošība un plašs izejvielu avots. Pārklājot to uz putu niķeļa kolektora virsmas, var palielināt saskares laukumu starp LiFePO4 un putu niķeli, samazināt saskarnes reakcijas strāvas blīvumu un tādējādi uzlabot LiFePO4 ātruma izlādes veiktspēju.
1.4 Nerūsējošā tērauda strāvas savācējs
Nerūsējošais tērauds attiecas uz leģētu tēraudu, kas satur tādus elementus kā niķelis, molibdēns, titāns, niobijs, varš un dzelzs. Tam ir laba vadītspēja un stabilitāte, un tas var izturēt ķīmisku koroziju no vājām kodīgām vidēm, piemēram, gaisa, tvaika un ūdens, kā arī spēcīgu kodīgu vielu, piemēram, skābes, sārmu un sāls. Nerūsējošā tērauda virsma ir pakļauta arī pasivācijas plēves veidošanai, kas var aizsargāt tās virsmu no korozijas. Tajā pašā laikā nerūsējošo tēraudu var apstrādāt plānāku nekā varu, un tam ir tādas priekšrocības kā zemas izmaksas, vienkāršs process un liela mēroga ražošana. Nerūsējošo tēraudu var izmantot kā pozitīvu vai negatīvu strāvas kolektoru, un izplatītākie nerūsējošā tērauda strāvas kolektoru veidi ietver nerūsējošā tērauda sietu un porainu nerūsējošo tēraudu.
1.4.1. Nerūsējošā tērauda sieta kolektora šķidrums
Nerūsējošā tērauda sieta tekstūra ir blīva. Ja to izmanto kā strāvas savācēju, tā virsmu ieskauj elektrodu aktīvie materiāli, un tā nenonāk tiešā saskarē ar elektrolītu, padarot to mazāk pakļautu blakusreakcijām un uzlabojot akumulatora veiktspēju.
1.4.2. Porains nerūsējošā tērauda strāvas savācējs
Vienkārša un efektīva metode, lai pilnībā izmantotu aktīvos materiālus un uzlabotu elektrodu izlādes īpatnējo jaudu, ir izmantot porainus strāvas kolektorus.
1.5 Oglekļa strāvas savācējs
Izmantojot oglekļa materiālus kā pozitīvos vai negatīvos elektrodu strāvas kolektorus, tas var izvairīties no elektrolīta korozijas uz metāla strāvas kolektoriem, un tam ir priekšrocības: bagātīgi resursi, viegla apstrāde, zema pretestība, nekaitē videi un zema cena.
Oglekļa šķiedras audumu var izmantot kā strāvas savācēju elastīgiem litija jonu akumulatoriem, pateicoties tā lieliskajai elastībai, vadītspējai un elektroķīmiskajai stabilitātei. Oglekļa nanocaurules ir vēl viens oglekļa strāvas kolektora veids, kam ir acīmredzamas priekšrocības salīdzinājumā ar metāla strāvas kolektoriem viegluma ziņā un kas var ievērojami uzlabot akumulatoru enerģijas blīvumu.
1.6 Kompozītmateriālu strāvas kolektors
Papildus atsevišķiem kolektoriem, piemēram, vara kolektoriem, alumīnija kolektoriem, niķeļa kolektoriem, nerūsējošā tērauda kolektoriem un oglekļa savācējiem, pēdējos gados zinātnieku pētniecisko interesi ir piesaistījuši arī kompozītmateriālu kolektori, piemēram, vadoši sveķi, ar oglekli pārklātas alumīnija folijas un titāns. niķeļa formas atmiņas sakausējumi.
1.6.1. Vadītspējīgs sveķu strāvas savācējs
Polietilēna (PE) un fenola sveķu (PF) strāvas kolektori sastāv no vadošām pildvielām un polimēru sveķu matricas. Vienmērīgi sajaucot PE un PF kā matricas materiālus ar vadošām pildvielām (grafītu, oglekli), tika sagatavots salikts strāvas kolektors un pētītas to fizikālās un ķīmiskās īpašības. Grafēns ir unikāls un jauns divdimensiju oglekļa funkcionāls materiāls, ko veido oglekļa atomu sp2 hibridizācija. Tam ir daudz priekšrocību, piemēram, īpaši augsta vadītspēja, īpatnējais virsmas laukums un mehāniskā izturība. Tas var aizstāt grafītu kā litija jonu akumulatoru negatīvo elektrodu aktīvo materiālu vai kā strāvas savācēja materiālu.
1.6.2. Titāna niķeļa formas atmiņas sakausējuma strāvas savācējs
Titāna niķeļa formas atmiņas sakausējums ir binārs sakausējums, kas sastāv no niķeļa un titāna, kas var pārveidoties starp divām dažādām kristāla fāzēm, mainoties ārējās temperatūras vai spiediena izmaiņām. Titāna niķeļa formas atmiņas sakausējums var nomākt aktīvo vielu tilpuma izmaiņas uzlādes un izlādes laikā, mainot savu fāzes stāvokli, tādējādi uzlabojot akumulatoru cikla kalpošanas laiku.
1.6.3 Ar oglekli pārklāts alumīnija folijas strāvas savācējs
Ar oglekli pārklāts/alumīnija folijas strāvas kolektors attiecas uz saliktu strāvas kolektoru, kurā uz alumīnija folijas virsmas ir pārklāts oglekli saturošs kompozītmateriāla slānis. Tostarp oglekli saturošais slānis sastāv no oglekļa šķiedrām un vadošām ogļu daļiņām, kas apstrādātas ar disperģētājiem, kuras var cieši apvienot ar alumīnija foliju, lai uzlabotu elektroda vadītspēju un izturību pret koroziju.
Strāvas kolektors ir viens no neaizstājamiem un svarīgiem litija jonu akumulatoru komponentiem, kam ir vairākas funkcijas, kas nodrošina elektrodu aktīvo materiālu pārnešanu un izejas strāvas savākšanu. No dažādiem materiāliem un ražošanas procesiem izgatavoto strāvas kolektoru veiktspēja atšķiras, un arī to ietekme uz litija jonu akumulatoriem ir atšķirīga.