1. 清新电源首页
  2. 学术动态
  3. 原创文章

杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计

杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
研究背景

发展具有高比能的电池对于电动汽车和便携式电子设备至关重要。之前的研究已经探索了通过各种方式来增加电池的比能量,如开发新的高容量电极材料(如高镍氧化物正极、硫正极和锂金属负极),以及增加电极活性材料的载量和密度,但金属集流体(铜和铝)的“自重”所占百分比仍十分高,制约了能量密度的提高。因此,合理设计集流体对于发展高比能锂金属电池至关重要。
杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
成果简介

近日,美国哥伦比亚大学杨远教授团队Joule上发表了题为“Engineering current collectors for batteries with high specific energy”的论文。该工作分析了轻质集流体对锂-高镍正极和Li-S电池比能量的影响,以及相关的优势和挑战。同时,以电动汽车和便携式电子产品常用的软包电池为研究对象,指出了不同类型电池之间,对集流体的不同要求,如加工方式和机械强度等。
杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
研究亮点

(1)分析了发展轻质集流体的不同策略,并指出了相应的优缺点;
(2)虽然集流体轻量化增加了电池的比能量,但也应注意在电池阻抗、散热能力和力学方面的影响;
(3)指出了高加工成本仍然是轻量化集流体工业制造的主要障碍。
杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
图文导读

1.金属集流体的发展
实际上,之前论文对于轻量化集流体研究已经进行了广泛的探索(图1)。研究表明,1999年,Cu和Al集流体的厚度分别为20 μm和18 μm,分别占电池重量的19.3%和5.7%。2011年,Cu和Al的重量百分比下降到9.6%和4.4%。2016年,Cu和Al的厚度分别为10和15 μm。到目前为止,最先进的Cu和Al集流体厚度仅为6 μm和10 μm,占电池重量的6.4%和3%。         

杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计

图1 1999年至2018年,传统锂离子电池中Cu和Al集流体的厚度和重量占比。
2.锂金属电池系统中的集流体轻量化
虽然Cu和Al现在占电池重量的比例较低,但高容量电极材料的快速发展,可能会迅速降低电极材料的重量,并再次增加集流体在电池中所占的比例。因此,合理设计轻量化集流体可使电池比能量增加5%-20%(20-100 Wh kg-1
图2A显示了基于锂/高镍氧化物的软包电池,在贫电解液下的比能量与Al和Cu集流体厚度的关系。同时,鉴于Cu比Al的密度大(8.9 vs. 2.7 g cm-3),因此Cu对电池比能量的影响大于Al。此外,如果集流体能够完全去除,比能量将达到425 Wh kg-1,比现有的最高比能量还多15%。图2B和2C中绘制了比能量与集流体厚度、硫载量、硫利用率和E/S(电解质/硫)的关系。研究表明,相比通过提高硫载量实现更高的Li-S电池比能量,通过减少集流体的质量实现高比能的方式更加显著
然而,需要指出的是,对于锂金属电池而言,完全去除Cu集流体,面临着锂负极不均匀沉积/剥离、局部温度升高、电子电导率降低的挑战。与此同时,完全去除Al集流体,则面临着正极低电导率的缺陷(一般为1 S cm-1),远远低于期望值(>1000 S cm-1)

杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计

图2 (A)基于锂/高镍氧化物的软包电池,在贫电解液下的比能量与Al和Cu集流体厚度的关系;(B)Li-S电池比能量与与Al和Cu集流体厚度的关系。
3.制备轻量化集流体策略
通过几种不同的策略探索和发展轻质集流体,多孔箔和金属塑料箔是其中典型的代表。
a使用激光在集流体上创建微孔(图3B),优点在于不仅有助于减少集流体的重量,而且有利于集流体两侧之间的离子传输。缺点在于浆料可能在干燥前穿过孔,同时降低了电导率,通过干涂层方式能够解决这个问题。此外,可将Cu纳米线挤压成1.2 μm厚的多孔Cu箔(图3A)。
b通过将金属溅射或蒸发到薄塑料箔上制备轻质集流体(图3C)。优点在于低密度的塑料有助于减少整体重量、机械强度高和能够减少穿刺实验中的热失控,且使用阻燃性聚合物衬底能够进一步提高电池的安全性(图3C)。缺点在于较厚的塑料薄膜将略微降低体积能量密度(1%-4%)。
c考虑使用其他材料作为未来的集流体。

杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计

图3 (A)Cu纳米线箔集流体的SEM图像;(B)多孔直径为20 μm的铜箔;(C)金属溅射或蒸发到薄塑料箔上制备轻质集流体;(D)使用较薄集流体的电池电阻增加和比能量增加的关系。
3.轻质集流体的潜在问题
虽然集流体轻量化增加了电池的比能量,但也应该注意在其他方面提出的挑战。
a、电池阻抗的增加。集流体的电阻与其厚度成反比,使用6 μm Cu和10 μm Al厚集流体的电子电阻为0.14 mΩ,但0.5 μm Cu和0.5 μm Al的电子电阻迅速增加到2.2 mΩ,占总电池电阻的14%以上(图3D)。
b、较薄的集流体会降低沿平面方向的导热率,从而降低电池的散热能力,并增加了热失控的可能性。
c、较薄的集流体具有更低的力学性能,从而在电极涂覆和煅烧方面增加了困难。虽然轻质集流体可以降低电池的原材料成本,但更先进加工技术则增加了制造成本。
杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
总结与展望

综上所述,本文研究了使用轻量化集流体增加电池比能量的方式,同时总结了制备更薄集流体的不同策略,以此满足人们对于高能量密度电池的需求。尽管挑战仍然存在,特别是在大规模生产方面,但通过优化制备工艺,降低成本,更轻质的集流体必将是高比能清洁储能设备的关键组成部分。
杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
文献链接

Engineering current collectors for batteries with high specific energy (Joule, 2021, DOI: 10.1016/j.joule.2021.03.027)
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.027
杨远教授Joule:电池集流体的轻量化设计
清新电源投稿通道(Scan)

本站非明确注明的内容,皆来自转载,本文观点不代表清新电源立场。

发表评论

登录后才能评论