對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，常用的陰極集電體是鋁箔，而陽(yáng)極集電體是銅箔。為了保證電池內(nèi)部集流體的穩(wěn)定性，要求兩者的純度在98%以上。隨著鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)論是數(shù)碼產(chǎn)品的鋰電池還是電動(dòng)汽車的電池，我們都希望電池的能量密度越高越好，電池的重量也越來(lái)越輕。

在集電體中，最重要的是減少集電體的厚度和重量，這就直觀地減少了電池的體積和重量。為什么鋰離子電池的陰極電極使用鋁箔，陽(yáng)極電極使用銅箔？有三個(gè)原因：

 

為什么選擇銅箔和鋁箔做電極電流收集器

首先，銅箔和鋁箔具有良好的導(dǎo)電性，質(zhì)地柔軟，價(jià)格低廉。我們都知道，鋰電池的工作原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)裝置。在這個(gè)過(guò)程中，我們需要一種介質(zhì)來(lái)傳遞由化學(xué)能轉(zhuǎn)化的電能，這里就需要導(dǎo)電材料。

在普通材料中，金屬材料是最具導(dǎo)電性的材料，而在金屬材料中，銅箔和鋁箔是廉價(jià)而良好的導(dǎo)電材料。同時(shí)，在鋰電池中，我們主要有兩種加工方法：繞線和層壓。

與21700電池這樣的卷繞方式相比，用于制備電池的極片需要有一定的彈性，以保證極片在卷繞過(guò)程中不出現(xiàn)脆性斷裂等問(wèn)題。在金屬材料中，銅箔和鋁箔也是一種軟金屬。最后，要考慮電池的制備成本。相對(duì)來(lái)說(shuō)，銅鋁箔的價(jià)格比較便宜，而且世界上的銅鋁元素資源豐富。

 

 

第二，銅鋁箔在空氣中相對(duì)穩(wěn)定。鋁容易與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鋁的表面形成一層致密的氧化膜，防止鋁進(jìn)一步反應(yīng)，而且這層很薄的氧化膜對(duì)電解質(zhì)中的鋁也有一定的保護(hù)作用。銅本身在空氣中是比較穩(wěn)定的，在干燥的空氣中基本上不發(fā)生反應(yīng)。

第三，鋰電池的陰極和陽(yáng)極的電位決定了陰極電極使用鋁箔，陽(yáng)極電極使用銅箔，而不是反過(guò)來(lái)。陰極電極電位高，而銅箔在高電位下容易被氧化。

鋁的氧化電位高，鋁箔的表面有一層致密的氧化膜，對(duì)內(nèi)部的鋁也有很好的保護(hù)作用。這兩種材料都被用作電流收集器，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫膶?dǎo)電性，質(zhì)地柔軟（也許這也有利于粘合），而且比較常見和便宜。同時(shí)，兩者的表面都可以形成一層氧化物保護(hù)膜。

 

 

為什么陰極和陽(yáng)極的集電體不同？

1. 金屬鋁的晶格八面體空隙大小與Li相似，容易與Li形成金屬間化合物。Li和Al不僅形成化學(xué)式為L(zhǎng)iAl的合金，還可能形成Li3Al2或Li4Al3。由于金屬Al與Li反應(yīng)的活性很高，金屬Al消耗了大量的Li，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)也受到破壞，因此不能作為鋰離子電池陽(yáng)極的集流體；

在電池充放電過(guò)程中，Cu只有少量的鋰插層能力，并保持結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的穩(wěn)定，可以作為鋰離子電池負(fù)極的集流體；當(dāng)Cu箔在3.75V時(shí)，極化電流開始明顯增加，并呈直線上升，氧化加劇，說(shuō)明Cu在此電位下開始不穩(wěn)定；

在鋁箔的整個(gè)極化電位范圍內(nèi)，極化電流小且恒定，沒(méi)有觀察到明顯的腐蝕現(xiàn)象，電化學(xué)性能穩(wěn)定。由于鋁在鋰離子電池陰極電位范圍內(nèi)的鋰插層容量較小，且能保持電化學(xué)穩(wěn)定性，適合作為鋰離子電池的陰極電流收集器。

 

 

2. 銅/鎳表面的氧化層是一種半導(dǎo)體，電子可以導(dǎo)電。氧化層太厚，阻抗就大；而鋁表面的氧化層是氧化鋁絕緣體，氧化層不能導(dǎo)電。導(dǎo)電性，如果氧化層厚，鋁箔的導(dǎo)電性就差，甚至是絕緣。一般來(lái)說(shuō)，集電體在使用前要對(duì)其表面進(jìn)行清洗。一方面可以洗去油污，同時(shí)可以去除厚的氧化層。

3. 陰極電極電位高，鋁薄的氧化層非常致密，可以防止集電器被氧化。而銅/鎳箔的氧化層比較松散，為了防止其被氧化，最好有較低的電位。同時(shí)，在低電位下，Li很難與Cu/nickel形成鋰的插層合金。然而，如果銅/鎳的表面被嚴(yán)重氧化，Li會(huì)在稍高的電位下與銅/鎳的氧化物反應(yīng)。雖然鋁箔不能作為陽(yáng)極電極，但在低電位下會(huì)發(fā)生LiAl合金化。

4. 電流收集器需要純凈的成分。鋁的成分不純，會(huì)因?yàn)楸砻婺げ幻軐?shí)而導(dǎo)致點(diǎn)狀腐蝕的發(fā)生，甚至?xí)驗(yàn)楸砻婺さ钠茐亩纬蒐iAl合金。

 

 

銅箔和鋁箔的厚度要求

隨著近幾年鋰電池的快速發(fā)展，鋰電池的集電體也得到了快速發(fā)展。陰極鋁箔已由前幾年的16um降至14um，再降至12um?，F(xiàn)在很多電池廠商包括十大鋰離子電池廠商都使用10um，甚至使用8um鋁箔。

至于用于陽(yáng)極的銅箔，由于其良好的柔韌性，銅箔的厚度從12um減少到10um，然后再減少到8um。到目前為止，全球十大鋰電池銅箔公司大多采用6um進(jìn)行批量生產(chǎn)，也有一些廠家在開發(fā)5um/4um。

由于鋰電池對(duì)所用銅箔和鋁箔的純度要求很高，材料的密度基本在同一水平，隨著開發(fā)厚度的降低，面積密度也相應(yīng)降低，電池的重量自然越來(lái)越小，這也符合我們對(duì)鋰電池的需求。

 

 

銅箔和鋁箔的表面粗糙度要求

對(duì)于集電體，除了其厚度和重量對(duì)鋰電池的影響外，集電體的表面性能對(duì)電池的生產(chǎn)和性能也有很大影響。特別是對(duì)于陽(yáng)極集電體，由于制備技術(shù)的缺陷，市場(chǎng)上的銅箔主要有單面毛料、雙面毛料、雙面粗化等品種。

這種雙面結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性導(dǎo)致陽(yáng)極電極兩側(cè)涂層的接觸電阻不對(duì)稱，進(jìn)而使陽(yáng)極電極兩側(cè)的容量不能均勻釋放；同時(shí)，兩側(cè)的不對(duì)稱性也導(dǎo)致陽(yáng)極電極涂層的結(jié)合強(qiáng)度不一致，兩側(cè)陽(yáng)極電極涂層的充放電循環(huán)壽命嚴(yán)重不平衡，從而加速了電池容量的衰減。