انواع و انتخاب کلکتورهای فعلی برای باتری های لیتیوم یون

کلکتور جریان یکی از اجزای ضروری در باتری های لیتیوم یونی است. این نه تنها می تواند مواد فعال را حمل کند، بلکه جریان تولید شده توسط ماده فعال الکترود را نیز جمع آوری و خروجی می کند، که منجر به کاهش مقاومت داخلی باتری های لیتیوم یون، بهبود راندمان کولمبی، پایداری چرخه و عملکرد سرعت باتری می شود. باتری

کلکتور جریان باتری لیتیوم یون

در اصل، یک کلکتور جریان باتری لیتیوم یون ایده آل باید شرایط زیر را داشته باشد: (1) رسانایی بالا. (2) پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی خوب؛ (3) استحکام مکانیکی بالا؛ (4) سازگاری و استحکام اتصال خوب با مواد فعال الکترود؛ (5) ارزان و آسان برای به دست آوردن. (6) سبک وزن

با این حال، در کاربردهای عملی، مواد جمع کننده جریانی مختلف هنوز مشکلات مختلفی دارند، بنابراین نمی توانند الزامات چند مقیاسی ذکر شده در بالا را به طور کامل برآورده کنند. مس در پتانسیل های بالاتر مستعد اکسیداسیون است و برای استفاده به عنوان جمع کننده جریان الکترود منفی مناسب است. آلومینیوم به عنوان یک کلکتور جریان الکترود منفی، مشکل خوردگی جدی تری دارد و برای استفاده به عنوان جمع کننده جریان الکترود مثبت مناسب است. در حال حاضر، موادی که می‌توانند به عنوان کلکتور جریان برای باتری‌های لیتیوم یونی مورد استفاده قرار گیرند عبارتند از مواد رسانای فلزی مانند مس، آلومینیوم، نیکل و فولاد ضد زنگ، مواد نیمه‌رسانا مانند کربن و مواد کامپوزیت.

1.1 کلکتور جریان مس

مس یک رسانای فلزی عالی با رسانایی بعد از نقره است و دارای مزایای زیادی مانند منابع فراوان، هزینه کم و دسترسی آسان و شکل پذیری خوب است. با این حال، با توجه به اینکه مس در پتانسیل های بالاتر مستعد اکسیداسیون است، اغلب به عنوان جمع کننده جریان برای مواد فعال الکترود منفی مانند گرافیت، سیلیکون، قلع و آلیاژهای قلع کبالت استفاده می شود. کلکتورهای مس رایج شامل فویل مس، فوم مس، مش مسی و کلکتور آرایه نانو مس سه بعدی می باشد.

1.1.1 کلکتور جریان فویل مسی

با توجه به فرآیند تولید فویل مس، می توان آن را به فویل مسی نورد شده و فویل مس الکترولیتی تقسیم کرد. در مقایسه با فویل مسی الکترولیتی، فویل مسی نورد شده رسانایی بالاتر و اثر گسترش بهتری دارد. باتری‌های لیتیوم یونی با نیاز کم به انحنا می‌توانند فویل مسی الکترولیتی را به عنوان جمع‌کننده جریان الکترود منفی انتخاب کنند. تحقیقات نشان داده است که افزایش زبری سطح فویل مس برای بهبود استحکام پیوند بین کلکتور فعلی و ماده فعال، کاهش مقاومت تماس بین ماده فعال و کلکتور جریان، و به تبع آن بهبود عملکرد و سیکل دبی سرعت مفید است. پایداری باتری

کلکتور فوم مس 1.1.2

فوم مس نوعی ماده شبکه سه بعدی شبیه به اسفنج است که دارای مزایای زیادی مانند وزن سبک، استحکام و چقرمگی بالا و سطح ویژه بزرگ است. اگرچه مواد فعال الکترود منفی سیلیکون و قلع ظرفیت ویژه نظری بالایی دارند و به عنوان یکی از مواد فعال الکترود منفی امیدوارکننده برای باتری‌های لیتیوم یون در نظر گرفته می‌شوند، اما دارای معایبی مانند تغییرات حجم زیاد و پودر شدن در طول شارژ/دشارژ چرخه‌ای هستند. عملکرد باتری را به طور جدی تحت تاثیر قرار می دهد. این تحقیق نشان می دهد که کلکتور مس فوم می تواند از تغییر حجم مواد فعال سیلیکون و آند قلع در طول فرآیند شارژ و دشارژ جلوگیری کند، پدیده پودر شدن را کاهش دهد و در نتیجه عملکرد باتری را بهبود بخشد.

1.2 کلکتور جریان آلومینیومی

اگرچه رسانایی فلز آلومینیوم از مس کمتر است، اما کیفیت سیم آلومینیومی در هنگام انتقال همان مقدار برق، تنها نصف سیم مسی است. بدون شک استفاده از کلکتورهای جریان آلومینیومی می تواند به بهبود چگالی انرژی باتری های لیتیوم یون کمک کند. علاوه بر این، در مقایسه با مس، آلومینیوم از نظر قیمت ارزان تر است. در طول فرآیند شارژ/دشارژ باتری‌های لیتیوم یون، یک فیلم اکسید متراکم روی سطح کلکتور جریان فویل آلومینیومی تشکیل می‌شود که مقاومت در برابر خوردگی فویل آلومینیومی را بهبود می‌بخشد و اغلب به عنوان کلکتور جریان برای الکترود مثبت استفاده می‌شود. باتری های لیتیوم یونی

مانند کلکتورهای جریان فویل مسی، عملیات سطحی نیز می تواند خواص سطح فویل آلومینیوم را بهبود بخشد. پس از اچ کردن جریان مستقیم، یک ساختار لانه زنبوری روی سطح فویل آلومینیومی تشکیل می‌شود که محکم‌تر به ماده فعال الکترود مثبت متصل می‌شود و عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌های لیتیوم یون را بهبود می‌بخشد. با این حال، در واقع، کلکتورهای جریان آلومینیومی اغلب از خوردگی شدید ناشی از تخریب لایه‌های غیرفعال سطحی رنج می‌برند که منجر به کاهش عملکرد باتری‌های لیتیوم یون می‌شود. بنابراین، به منظور بهبود مقاومت در برابر خوردگی فویل آلومینیومی اچ شده، لازم است سطح آن بهینه شود و یک فیلم غیرفعال پایدارتر تشکیل شود.

1.3 کلکتور جریان نیکل

به طور نسبی، نیکل یک فلز پایه با قیمت نسبتا پایین، رسانایی خوب و پایداری در محلول های اسیدی و قلیایی است. بنابراین، نیکل را می توان هم به عنوان کلکتور جریان الکترود مثبت و هم به عنوان جمع کننده جریان الکترود منفی استفاده کرد. هم مواد فعال الکترود مثبت مانند فسفات آهن لیتیوم و هم مواد فعال الکترود منفی مانند اکسید نیکل، گوگرد و مواد کامپوزیت سیلیکون کربن وجود دارد که با آن مطابقت دارند.

شکل کلکتور نیکل معمولاً شامل فوم نیکل و فویل نیکل است. از آنجایی که فوم نیکل کانال ها و سطح تماس زیادی با ماده فعال ایجاد کرده است، مقاومت تماس بین ماده فعال و کلکتور کاهش می یابد. هنگام استفاده از فویل نیکل به عنوان جمع کننده جریان الکترود، با افزایش تعداد چرخه های شارژ/دشارژ، ماده فعال مستعد جدا شدن است که بر عملکرد باتری تأثیر می گذارد. به طور مشابه، فرآیند پیش تصفیه سطح برای کلکتورهای جریان فویل نیکل نیز قابل استفاده است. پس از اچ کردن سطح کلکتور جریان فویل نیکل، استحکام پیوند بین ماده فعال و کلکتور جریان به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

اکسید نیکل دارای مزایای ساختار پایدار، قیمت پایین و ظرفیت خاص نظری بالا است که آن را به یک ماده فعال الکترود منفی پرکاربرد برای باتری‌های لیتیوم یون تبدیل می‌کند. بر این اساس لایه ای از اکسید نیکل به روش اکسیداسیون فاز جامد روی سطح فوم نیکل در محل رشد داده شد و آند اکسید نیکل با فوم نیکل به عنوان کلکتور تهیه شد. در مقایسه با فویل نیکل / الکترود منفی اکسید نیکل، ظرفیت ویژه اولین تخلیه الکترود منفی فوم نیکل / اکسید نیکل به طور قابل توجهی افزایش یافت. دلیل آن این است که در مقایسه با کلکتورهای جریان دوبعدی، کلکتورهای جریان ساختاری سه بعدی، پدیده پلاریزاسیون رابط را کاهش داده و ثبات چرخه شارژ/دشارژ باتری ها را بهبود می بخشد.

فسفات آهن لیتیوم به دلیل ایمنی خوب و منبع گسترده ای از مواد خام به عنوان یک ماده فعال مثبت ایده آل برای باتری های لیتیوم یونی در نظر گرفته می شود. پوشش آن بر روی سطح کلکتور نیکل فوم می تواند سطح تماس بین LiFePO4 و فوم نیکل را افزایش دهد، چگالی جریان واکنش رابط را کاهش دهد و در نتیجه عملکرد تخلیه سرعت LiFePO4 را بهبود بخشد.

1.4 کلکتور جریان فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ به فولاد آلیاژی حاوی عناصری مانند نیکل، مولیبدن، تیتانیوم، نیوبیم، مس و آهن اطلاق می شود. رسانایی و پایداری خوبی دارد و می تواند در برابر خوردگی شیمیایی ناشی از محیط های خورنده ضعیف مانند هوا، بخار و آب و همچنین محیط های خورنده قوی مانند اسید، قلیایی و نمک مقاومت کند. سطح فولاد ضد زنگ نیز مستعد تشکیل یک فیلم غیرفعال است که می تواند سطح آن را از خوردگی محافظت کند. در عین حال، فولاد ضد زنگ را می‌توان نازک‌تر از مس، با مزایایی مانند هزینه کم، فرآیند ساده و تولید در مقیاس بزرگ پردازش کرد. فولاد زنگ نزن را می توان به عنوان یک کلکتور جریان مثبت یا منفی استفاده کرد و انواع رایج کلکتورهای جریان استنلس استیل عبارتند از مش فولادی ضد زنگ و فولاد ضد زنگ متخلخل.

1.4.1 سیال جمع کننده توری فولادی ضد زنگ

بافت مش فولادی ضد زنگ متراکم است. هنگامی که به عنوان جمع کننده جریان استفاده می شود، سطح آن توسط مواد فعال الکترود پیچیده می شود و در تماس مستقیم با الکترولیت قرار نمی گیرد، که باعث می شود کمتر در معرض واکنش های جانبی قرار گیرد و عملکرد چرخشی باتری بهبود یابد.

1.4.2 جمع کننده جریان فولاد ضد زنگ متخلخل

یک روش ساده و موثر برای استفاده کامل از مواد فعال و بهبود ظرفیت تخلیه ویژه الکترودها، استفاده از کلکتورهای جریان متخلخل است.

1.5 کلکتور جریان کربن

هنگام استفاده از مواد کربنی به عنوان کلکتورهای جریان الکترود مثبت یا منفی، می تواند از خوردگی الکترولیت بر روی کلکتورهای جریان فلزی جلوگیری کند و از مزایای منابع فراوان، پردازش آسان، مقاومت کم، بدون آسیب به محیط زیست و قیمت پایین برخوردار است.

پارچه فیبر کربن به دلیل انعطاف پذیری عالی، رسانایی و پایداری الکتروشیمیایی می تواند به عنوان جمع کننده جریان برای باتری های لیتیوم یون انعطاف پذیر استفاده شود. نانولوله های کربنی شکل دیگری از کلکتور جریان کربنی هستند که از نظر وزن سبک نسبت به کلکتورهای جریان کربنی مزایای آشکاری دارند و می توانند چگالی انرژی باتری ها را به میزان قابل توجهی بهبود بخشند.

1.6 کلکتور جریان مرکب

علاوه بر کلکتورهای منفرد مانند کلکتورهای مس، کلکتورهای آلومینیوم، کلکتورهای نیکل، کلکتورهای فولاد ضد زنگ و کلکتورهای کربن، کلکتورهای کامپوزیتی نیز در سال‌های اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته‌اند، مانند رزین‌های رسانا، ورق‌های آلومینیومی با پوشش کربن و تیتانیوم. آلیاژهای حافظه دار نیکل شکل

1.6.1 کلکتور جریان رزین رسانا

کلکتورهای جریان پلی اتیلن (PE) و رزین فنولیک (PF) از پرکننده های رسانا و یک ماتریس رزین پلیمری تشکیل شده اند. یک کلکتور جریان مرکب با مخلوط کردن یکنواخت PE و PF به عنوان مواد ماتریس با پرکننده های رسانا (گرافیت، کربن سیاه) تهیه شد و خواص فیزیکی و شیمیایی آنها مورد مطالعه قرار گرفت. گرافن یک ماده دو بعدی کربنی منحصر به فرد و جدید است که از هیبریداسیون اتم های کربن sp2 تشکیل شده است. مزایای زیادی مانند رسانایی فوق العاده بالا، سطح ویژه و استحکام مکانیکی دارد. می تواند گرافیت را به عنوان ماده فعال الکترود منفی باتری های لیتیوم یونی یا به عنوان ماده جمع کننده جریان جایگزین کند.

1.6.2 کلکتور جریان آلیاژ حافظه دار تیتانیوم نیکل شکل

آلیاژ حافظه دار نیکل تیتانیوم یک آلیاژ دوتایی متشکل از نیکل و تیتانیوم است که می تواند بین دو فاز کریستالی مختلف با تغییرات دما یا فشار خارجی تبدیل شود. آلیاژ حافظه دار تیتانیوم نیکل می تواند با تغییر حالت فاز خود تغییر حجم مواد فعال را در هنگام شارژ و دشارژ سرکوب کند و در نتیجه عمر چرخه باتری ها را بهبود بخشد.

1.6.3 کلکتور جریان فویل آلومینیومی با پوشش کربن

کلکتور جریان با پوشش کربن / فویل آلومینیومی به یک کلکتور جریان مرکب اطلاق می شود که در آن یک لایه کامپوزیت حاوی کربن روی سطح یک فویل آلومینیومی پوشانده می شود. در میان آنها، لایه حاوی کربن از الیاف کربن و ذرات کربن سیاه رسانا تشکیل شده است که با پراکنده‌کننده‌ها درمان شده‌اند، که می‌توان آنها را محکم با فویل آلومینیومی ترکیب کرد تا رسانایی و مقاومت در برابر خوردگی الکترود را بهبود بخشد.

کلکتور جریان یکی از اجزای ضروری و مهم در باتری های لیتیوم یونی است که دارای عملکردهای متعددی در حمل مواد فعال الکترود و جمع آوری جریان خروجی است. عملکرد کلکتورهای فعلی تهیه شده از مواد مختلف و فرآیندهای تولید متفاوت است و تأثیر آنها بر باتری های لیتیوم یون نیز متفاوت است.