Voolukollektor on liitium-ioonakude üks asendamatuid komponente. See ei saa mitte ainult kanda aktiivset materjali, vaid ka koguda ja väljastada elektroodi aktiivse materjali tekitatud voolu, mis aitab vähendada liitiumioonakude sisemist takistust, parandades aku kulonilise efektiivsuse, tsükli stabiilsuse ja kiiruse jõudlust. aku.
Liitiumioonaku voolukollektor
Põhimõtteliselt peaks ideaalne liitiumioonaku voolukollektor vastama järgmistele tingimustele: (1) kõrge juhtivus; (2) hea keemiline ja elektrokeemiline stabiilsus; (3) kõrge mehaaniline tugevus; (4) hea ühilduvus ja sidumistugevus elektroodide aktiivsete materjalidega; (5) odav ja lihtne hankida; (6) Kerge.
Praktilistes rakendustes on aga erinevatel voolukollektorimaterjalidel endiselt mitmesuguseid probleeme, mistõttu need ei suuda täielikult vastata ülalmainitud mitmemõõtmelistele nõuetele. Vask on kalduvus oksüdeeruda suuremate potentsiaalide korral ja sobib kasutamiseks negatiivse elektroodi voolukollektorina; Alumiinium negatiivse elektroodi voolukollektorina on tõsisema korrosiooniprobleemiga ja sobib kasutamiseks positiivse elektroodi voolukollektorina. Praegu on liitiumioonakude voolukollektorina kasutatavad materjalid metallist juhtivad materjalid, nagu vask, alumiinium, nikkel ja roostevaba teras, pooljuhtmaterjalid, nagu süsinik, ja komposiitmaterjalid.
1.1 Vaskvoolukollektor
Vask on suurepärane metalljuht, mille juhtivus on hõbeda järel teine, ja sellel on palju eeliseid, nagu rikkalikud ressursid, madal hind ja lihtne kättesaadavus ning hea plastilisus. Arvestades aga, et vask on suurema potentsiaaliga oksüdatsioonile kalduv, kasutatakse seda sageli negatiivsete elektroodide aktiivsete materjalide, nagu grafiit, räni, tina ja koobalttina sulamid, voolukollektorina. Levinud vasekollektorite hulka kuuluvad vaskfoolium, vahtvask, vaskvõrk ja kolmemõõtmeline nanovasest massiivikollektor.
1.1.1 Vaskfooliumist voolukollektor
Vastavalt vaskfooliumi tootmisprotsessile saab selle edasi jagada valtsitud vaskfooliumiks ja elektrolüütiliseks vaskfooliumiks. Võrreldes elektrolüütilise vaskfooliumiga on valtsitud vaskfooliumil suurem juhtivus ja parem pikendusefekt. Madala kõverusnõuetega liitiumioonakud võivad negatiivse elektroodi voolukollektoriks valida elektrolüütilise vaskfooliumi. Uuringud on näidanud, et vaskfooliumi pinna kareduse suurendamine on kasulik voolukollektori ja aktiivmaterjali vahelise sidemetugevuse parandamiseks, aktiivmaterjali ja voolukollektori vahelise kontakttakistuse vähendamiseks ning vastavalt kiiruse tühjenemise ja tsükli parandamiseks. aku stabiilsus.
1.1.2 vahtvask kollektor
Vahtvask on omamoodi käsnaga sarnane kolmemõõtmeline võrgumaterjal, millel on palju eeliseid, nagu kerge kaal, kõrge tugevus ja sitkus ning suur eripind. Kuigi räni ja tina negatiivse elektroodi aktiivmaterjalidel on suur teoreetiline erimahtuvus ja neid peetakse üheks paljulubavamaks negatiivse elektroodi aktiivmaterjaliks liitium-ioonakude jaoks, on neil ka puudusi, nagu suured mahumuutused ja peenestamine tsüklilise laadimise/tühjenemise ajal, mis mõjutab tõsiselt aku jõudlust. Uuringud näitavad, et vahtvaskkollektor võib laadimis- ja tühjendusprotsessi ajal pärssida räni ja tinaanoodi aktiivsete materjalide mahu muutust, aeglustada peenestumisnähtust ja seeläbi parandada aku jõudlust.
1.2 Alumiiniumist voolukollektor
Kuigi alumiiniummetalli juhtivus on vasest madalam, on alumiiniumtraadi kvaliteet sama koguse elektri transportimisel vasktraadi omast vaid poole väiksem. Kahtlemata võib alumiiniumist voolukollektorite kasutamine aidata parandada liitiumioonakude energiatihedust. Lisaks on alumiinium võrreldes vasega odavam. Liitiumioonakude laadimise/tühjenemise käigus moodustub alumiiniumfooliumist voolukollektori pinnale tihe oksiidkile, mis parandab alumiiniumfooliumi korrosioonikindlust ja mida kasutatakse sageli positiivse elektroodi voolukollektorina. liitium-ioonakud.
Sarnaselt vaskfooliumist voolukollektoritega võib pinnatöötlus parandada ka alumiiniumfooliumi pinnaomadusi. Pärast alalisvoolusöövitamist moodustub alumiiniumfooliumi pinnale kärgstruktuuri, mis on tihedamalt seotud positiivse elektroodi aktiivmaterjaliga ja parandab liitiumioonakude elektrokeemilist jõudlust. Kuid tegelikult kannatavad alumiiniumvoolukollektorid sageli tugeva korrosiooni käes, mis on tingitud pinna passiveerimiskilede hävimisest, mis põhjustab liitiumioonakude jõudluse vähenemist. Seetõttu on söövitatud alumiiniumfooliumi korrosioonikindluse parandamiseks vaja optimeerida selle pinda ja moodustada stabiilsem passiveerimiskile.
1.3 Nikli voolukollektor
Suhteliselt öeldes on nikkel suhteliselt madala hinnaga, hea juhtivusega ning happelistes ja aluselistes lahustes püsiv mitteväärismetall. Seetõttu saab niklit kasutada nii positiivse elektroodi voolukollektorina kui ka negatiivse elektroodi voolukollektorina. Sellele sobivad nii positiivse elektroodiga aktiivsed materjalid nagu liitiumraudfosfaat kui ka negatiivsete elektroodidega aktiivsed materjalid, nagu nikkeloksiid, väävel ja süsinik-räni komposiitmaterjalid.
Niklikollektori kuju sisaldab tavaliselt vahtniklit ja nikkelfooliumi. Kuna vahtniklil on tekkinud kanalid ja suur kokkupuutepind toimeainega, väheneb kontakttakistus toimeaine ja kollektori vahel. Nikkelfooliumi kasutamisel elektroodi voolukollektorina, kui laadimis-/tühjenemistsüklite arv suureneb, on aktiivne materjal kalduvus eralduma, mis mõjutab aku jõudlust. Samamoodi on pinna eeltöötlusprotsess rakendatav ka nikkelfooliumi voolukollektorite puhul. Nikkelfooliumist voolukollektori pinna söövitamise järel paraneb toimeaine ja voolukollektori vaheline side tugevus oluliselt.
Nikkeloksiidi eelisteks on stabiilne struktuur, madal hind ja suur teoreetiline erivõimsus, mistõttu on see liitium-ioonakude jaoks laialdaselt kasutatav negatiivse elektroodi aktiivmaterjal. Selle põhjal kasvatati vahtnikli pinnale tahkefaasilise oksüdatsiooni meetodil in situ nikkeloksiidi kiht ja valmistati nikkeloksiidi anood, mille kogujaks oli vahtnikkel. Võrreldes nikkelfooliumi / nikkeloksiidi negatiivse elektroodiga suurenes vahtnikli / nikkeloksiidi negatiivse elektroodi esimese tühjenemise erivõimsus märkimisväärselt. Põhjus on selles, et võrreldes kahemõõtmeliste voolukollektoritega vähendavad kolmemõõtmelised struktureeritud voolukollektorid liidese polarisatsiooninähtusi ja parandavad akude laadimis-/tühjenemistsükli stabiilsust.
Liitiumraudfosfaati peetakse liitiumioonakude jaoks ideaalseks positiivseks aktiivseks materjaliks selle hea ohutuse ja laialdase tooraineallika tõttu. Selle katmine vahtnikli kollektori pinnale võib suurendada LiFePO4 ja vahtnikli vahelist kontaktpinda, vähendada liidese reaktsiooni voolutihedust ja seega parandada LiFePO4 tühjenemise kiirust.
1.4 Roostevabast terasest voolukollektor
Roostevaba teras viitab legeerterasele, mis sisaldab selliseid elemente nagu nikkel, molübdeen, titaan, nioobium, vask ja raud. Sellel on hea juhtivus ja stabiilsus ning see talub keemilist korrosiooni nõrkade söövitavate ainete (nt õhk, aur ja vesi) ning tugevate söövitavate ainete (nt happe, leelise ja soola) poolt. Roostevabast terasest pind on samuti kalduvus moodustada passivatsioonikile, mis võib kaitsta selle pinda korrosiooni eest. Samal ajal saab roostevaba terast töödelda õhemalt kui vaske, millel on sellised eelised nagu madal hind, lihtne protsess ja suuremahuline tootmine. Roostevaba terast saab kasutada positiivse või negatiivse voolukollektorina ning levinumad roostevabast terasest voolukollektorid on roostevabast terasest võrk ja poorne roostevaba teras.
1.4.1 Roostevabast terasest võrgust kollektorivedelik
Roostevabast terasest võrgu tekstuur on tihe. Voolukollektorina kasutamisel on selle pind ümbritsetud elektroodiaktiivsete materjalidega ja see ei puutu otseselt kokku elektrolüüdiga, muutes selle vähem vastuvõtlikuks kõrvalreaktsioonidele ja parandades aku tsüklilist jõudlust.
1.4.2 Poorsest roostevabast terasest voolukollektor
Lihtne ja tõhus meetod aktiivsete materjalide täielikuks kasutamiseks ja elektroodide tühjenemise erivõimsuse parandamiseks on poorsete voolukollektorite kasutamine.
1.5 Süsinikvoolukollektor
Süsinikmaterjalide kasutamisel positiivsete või negatiivsete elektroodide voolukollektoritena võib see vältida elektrolüüdi korrosiooni metallvoolukollektoritel ning selle eeliseks on rikkalikud ressursid, lihtne töötlemine, madal takistus, keskkonnakahjustus ja madal hind.
Süsinikkiust kangast saab selle suurepärase paindlikkuse, juhtivuse ja elektrokeemilise stabiilsuse tõttu kasutada painduvate liitiumioonakude voolukollektorina. Süsiniknanotorud on veel üks süsinikvoolukollektori vorm, millel on kerge kaalu osas ilmsed eelised metallvoolukollektoritega võrreldes ja mis võivad märkimisväärselt parandada akude energiatihedust.
1.6 Komposiitvoolukollektor
Lisaks üksikutele kollektoritele, nagu vasekollektorid, alumiiniumkollektorid, niklikollektorid, roostevabast terasest kollektorid ja süsinikukollektorid, on viimastel aastatel teadlaste uurimishuvi äratanud ka komposiitkollektorid, nagu juhtivad vaigud, süsinikuga kaetud alumiiniumfooliumid ja titaan nikli kujuga mälusulamid.
1.6.1 Juhtiv vaiguvoolukollektor
Polüetüleenist (PE) ja fenoolvaigust (PF) voolukollektorid koosnevad juhtivatest täiteainetest ja polümeervaigust maatriksist. Valmistati komposiitvoolukollektor PE ja PF kui maatriksmaterjalide ühtlasel segamisel juhtivate täiteainetega (grafiit, tahm) ning uuriti nende füüsikalisi ja keemilisi omadusi. Grafeen on ainulaadne ja uudne kahemõõtmeline süsiniku funktsionaalne materjal, mis moodustub süsinikuaatomite sp2 hübridisatsioonil. Sellel on palju eeliseid, nagu ülikõrge juhtivus, eripind ja mehaaniline tugevus. See võib asendada grafiiti liitium-ioonakude negatiivse elektroodi aktiivse materjalina või voolukoguja materjalina.
1.6.2 Titaannikli kujuga mälusulamist voolukollektor
Titaannikli kujuga mälusulam on niklist ja titaanist koosnev kahekomponentne sulam, mis võib välistemperatuuri või -rõhu muutumisel muutuda kahe erineva kristallifaasi vahel. Titaannikli kujuga mälusulam võib laadimise ja tühjenemise ajal alla suruda aktiivsete ainete mahu muutust, muutes oma faasiolekut, parandades seeläbi akude tsükli eluiga.
1.6.3 Süsinikkattega alumiiniumfooliumist voolukollektor
Süsinikkattega/alumiiniumfooliumiga voolukollektor viitab komposiitvoolukollektorile, milles süsinikku sisaldav komposiitkiht on kaetud alumiiniumfooliumi pinnale. Nende hulgas koosneb süsinikku sisaldav kiht süsinikkiududest ja juhtivatest tahmaosakestest, mida on töödeldud dispergeerivate ainetega, mida saab tihedalt alumiiniumfooliumiga kombineerida, et parandada elektroodi juhtivust ja korrosioonikindlust.
Voolukollektor on liitium-ioonakude üks asendamatuid ja olulisi komponente, millel on mitu funktsiooni: elektroodide aktiivsete materjalide kandmine ja väljundvoolu kogumine. Erinevatest materjalidest ja tootmisprotsessidest valmistatud voolukollektorite jõudlus on erinev, samuti on erinev nende mõju liitiumioonakudele.