Sakupljač struje jedna je od neizostavnih komponenti u litij-ionskim baterijama. Ne samo da može prenositi aktivni materijal, već i skupljati i ispuštati struju generiranu aktivnim materijalom elektrode, što je pogodno za smanjenje unutarnjeg otpora litij-ionskih baterija, poboljšavajući kulonovsku učinkovitost, stabilnost ciklusa i performanse brzine baterija.
Sakupljač struje litij-ionske baterije
U načelu, idealan kolektor struje litij-ionske baterije trebao bi ispunjavati sljedeće uvjete: (1) visoka vodljivost; (2) Dobra kemijska i elektrokemijska stabilnost; (3) Visoka mehanička čvrstoća; (4) Dobra kompatibilnost i čvrstoća vezivanja s aktivnim materijalima elektrode; (5) Jeftin i jednostavan za nabavu; (6) Lagan.
Međutim, u praktičnim primjenama, različiti materijali kolektora struje i dalje imaju različite probleme, tako da ne mogu u potpunosti ispuniti gore navedene zahtjeve višestrukih razmjera. Bakar je sklon oksidaciji pri višim potencijalima i prikladan je za korištenje kao kolektor struje negativne elektrode; Aluminij, kao sakupljač struje negativne elektrode, ima ozbiljniji problem korozije i pogodan je za korištenje kao sakupljač struje pozitivne elektrode. Trenutno, materijali koji se mogu koristiti kao odvodnici struje za litij-ionske baterije uključuju metalne vodiče kao što su bakar, aluminij, nikal i nehrđajući čelik, poluvodičke materijale kao što je ugljik i kompozitne materijale.
1.1 Bakreni kolektor struje
Bakar je izvrstan metalni vodič s vodljivošću odmah iza srebra i ima mnoge prednosti kao što su obilje resursa, niska cijena i laka dostupnost te dobra rastezljivost. Međutim, s obzirom na to da je bakar sklon oksidaciji pri višim potencijalima, često se koristi kao kolektor struje za aktivne materijale negativne elektrode kao što su grafit, silicij, kositar i legure kositra. Uobičajeni bakreni kolektori uključuju bakrenu foliju, pjenasti bakar, bakrenu mrežu i trodimenzionalni nano bakreni kolektor.
1.1.1 Kolektor struje od bakrene folije
Prema procesu proizvodnje bakrene folije, može se dalje podijeliti na valjanu bakrenu foliju i elektrolitičku bakrenu foliju. U usporedbi s elektrolitičkom bakrenom folijom, valjana bakrena folija ima veću vodljivost i bolji učinak istezanja. Litij-ionske baterije s niskim zahtjevima za zakrivljenošću mogu izabrati elektrolitičku bakrenu foliju kao kolektor struje negativne elektrode. Istraživanje je pokazalo da je povećanje hrapavosti površine bakrene folije korisno za poboljšanje čvrstoće veze između kolektora struje i aktivnog materijala, smanjenje kontaktnog otpora između aktivnog materijala i kolektora struje i odgovarajuće poboljšanje performansi brzine pražnjenja i ciklusa stabilnost baterije.
1.1.2 pjenasti bakreni kolektor
Pjenasti bakar je vrsta trodimenzionalnog mrežastog materijala sličnog spužvi, koji ima mnoge prednosti kao što su mala težina, velika čvrstoća i žilavost te velika specifična površina. Iako aktivni materijali negativne elektrode od silicija i kositra imaju visok teoretski specifični kapacitet i smatraju se jednim od obećavajućih aktivnih materijala za negativnu elektrodu za litij-ionske baterije, oni također imaju nedostatke kao što su velike promjene volumena i raspršivanje tijekom cikličkog punjenja/pražnjenja, što ozbiljno utjecati na performanse baterije. Istraživanje pokazuje da pjenasti bakreni kolektor može spriječiti promjenu volumena aktivnih materijala silicija i kositrene anode tijekom procesa punjenja i pražnjenja, usporiti fenomen raspršivanja i tako poboljšati performanse baterije.
1.2 Aluminijski kolektor struje
Iako je vodljivost metalnog aluminija niža od vodljivosti bakra, kvaliteta aluminijske žice je samo upola manja od bakrene žice pri prijenosu iste količine električne energije. Bez sumnje, korištenje aluminijskih kolektora struje može pomoći u poboljšanju gustoće energije litij-ionskih baterija. Osim toga, u usporedbi s bakrom, aluminij je jeftiniji u cijeni. Tijekom procesa punjenja/pražnjenja litij-ionskih baterija, na površini kolektora struje od aluminijske folije stvara se gusti oksidni film, koji poboljšava otpornost aluminijske folije na koroziju i često se koristi kao kolektor struje za pozitivnu elektrodu u litij-ionske baterije.
Poput kolektora od bakrene folije, površinska obrada također može poboljšati površinska svojstva aluminijske folije. Nakon jetkanja istosmjernom strujom, na površini aluminijske folije formirat će se struktura saća, koja je čvršće povezana s aktivnim materijalom pozitivne elektrode i poboljšava elektrokemijsku učinkovitost litij-ionskih baterija. Međutim, zapravo, aluminijski kolektori struje često pate od teške korozije zbog uništavanja površinskih pasivizirajućih filmova, što dovodi do smanjenja učinkovitosti litij-ionskih baterija. Stoga, kako bi se poboljšala otpornost na koroziju jetkane aluminijske folije, potrebno je optimizirati njezinu površinu i formirati stabilniji pasivacijski film.
1.3 Nikalni kolektor struje
Relativno govoreći, nikal je osnovni metal s relativno niskom cijenom, dobrom vodljivošću i postojanošću u kiselim i alkalnim otopinama. Stoga se nikal može koristiti i kao sakupljač struje pozitivne elektrode i kao sakupljač struje negativne elektrode. Postoje i aktivni materijali pozitivne elektrode kao što je litij željezo fosfat i aktivni materijali negativne elektrode kao što su nikal oksid, sumpor i kompozitni materijali ugljik silicij koji mu odgovaraju.
Oblik kolektora nikla obično uključuje pjenasti nikal i foliju nikla. Budući da pjenasti nikal ima razvijene kanale i veliku kontaktnu površinu s aktivnom tvari, kontaktni otpor između aktivne tvari i kolektora je smanjen. Kada se koristi folija od nikla kao kolektor struje elektrode, kako se povećava broj ciklusa punjenja/pražnjenja, aktivni materijal je sklon odvajanju, što utječe na rad baterije. Slično, postupak predobrade površine također je primjenjiv na kolektore struje od nikalne folije. Nakon jetkanja površine odvodnika struje od nikalne folije, čvrstoća veze između aktivne tvari i odvodnika struje značajno se povećava.
Nikalov oksid ima prednosti stabilne strukture, niske cijene i visokog teorijskog specifičnog kapaciteta, što ga čini široko korištenim aktivnim materijalom za negativne elektrode za litij-ionske baterije. Na temelju toga je na površini pjenastog nikla metodom oksidacije u čvrstoj fazi in-situ uzgojen sloj oksida nikla i pripremljena je anoda oksida nikla s pjenastim niklom kao kolektorom. U usporedbi s negativnom elektrodom od nikal folije/nikl oksida, specifični kapacitet prvog pražnjenja negativne elektrode od pjenastog nikal/nikl oksida značajno se povećao. Razlog je taj što u usporedbi s dvodimenzionalnim kolektorima struje, trodimenzionalni strukturirani kolektori struje smanjuju fenomen polarizacije sučelja i poboljšavaju stabilnost ciklusa punjenja/pražnjenja baterija.
Litij željezo fosfat smatra se idealnim pozitivnim aktivnim materijalom za napajanje litij ionskih baterija zbog svoje dobre sigurnosti i širokog izvora sirovina. Oblaganjem na površini kolektora od pjenastog nikla može se povećati kontaktna površina između LiFePO4 i pjenastog nikla, smanjiti gustoća struje reakcije sučelja i tako poboljšati performanse brzine pražnjenja LiFePO4.
1.4 Sakupljač struje od nehrđajućeg čelika
Nehrđajući čelik odnosi se na legirani čelik koji sadrži elemente kao što su nikal, molibden, titan, niobij, bakar i željezo. Ima dobru vodljivost i stabilnost i može izdržati kemijsku koroziju od slabih korozivnih medija kao što su zrak, para i voda, kao i jakih korozivnih medija kao što su kiseline, lužine i sol. Površina od nehrđajućeg čelika također je sklona stvaranju pasivizirajućeg filma, koji može zaštititi površinu od korozije. U isto vrijeme, nehrđajući čelik može se obrađivati tanje od bakra, s prednostima kao što su niska cijena, jednostavan postupak i velika proizvodnja. Nehrđajući čelik može se koristiti kao pozitivni ili negativni kolektor struje, a uobičajeni tipovi kolektora struje od nehrđajućeg čelika uključuju mrežicu od nehrđajućeg čelika i porozni nehrđajući čelik.
1.4.1 Tekućina za sakupljanje mreže od nehrđajućeg čelika
Tekstura mreže od nehrđajućeg čelika je gusta. Kada se koristi kao kolektor struje, njegova je površina omotana elektrodnim aktivnim materijalima i ne dolazi u izravan kontakt s elektrolitom, što ga čini manje sklonim sporednim reakcijama i poboljšava cikličku izvedbu baterije.
1.4.2 Sabirnik struje od poroznog nehrđajućeg čelika
Jednostavna i učinkovita metoda za potpuno iskorištavanje aktivnih materijala i poboljšanje specifičnog kapaciteta pražnjenja elektroda je korištenje poroznih kolektora struje.
1.5 Ugljični kolektor struje
Kada se koriste ugljični materijali kao pozitivni ili negativni elektrodni kolektori struje, može se izbjeći korozija elektrolita na metalnim kolektorima struje, a ima prednosti obilja izvora, jednostavne obrade, niskog otpora, bez štete za okoliš i niske cijene.
Tkanina od karbonskih vlakana može se koristiti kao kolektor struje za fleksibilne litij-ionske baterije zbog svoje izvrsne fleksibilnosti, vodljivosti i elektrokemijske stabilnosti. Ugljikove nanocijevi su još jedan oblik ugljičnih kolektora struje, koji imaju očite prednosti u odnosu na metalne kolektore struje u smislu male težine i mogu značajno poboljšati gustoću energije baterija.
1.6 Kompozitni kolektor struje
Uz pojedinačne kolektore kao što su bakreni kolektori, aluminijski kolektori, kolektori od nikla, kolektori od nehrđajućeg čelika i kolektori ugljika, kompozitni kolektori također su privukli istraživački interes znanstvenika posljednjih godina, kao što su vodljive smole, aluminijske folije obložene ugljikom i titan legure s pamćenjem oblika nikla.
1.6.1 Vodljivi sakupljač struje od smole
Odvodnici struje od polietilena (PE) i fenolne smole (PF) sastoje se od vodljivih punila i matrice od polimerne smole. Pripremljen je kompozitni odvodnik struje jednoličnim miješanjem PE i PF kao matričnih materijala s vodljivim punilima (grafit, čađa), te su proučavana njihova fizikalna i kemijska svojstva. Grafen je jedinstveni i novi dvodimenzionalni ugljikov funkcionalni materijal formiran sp2 hibridizacijom ugljikovih atoma. Ima mnoge prednosti kao što su ultra-visoka vodljivost, specifična površina i mehanička čvrstoća. Može zamijeniti grafit kao aktivni materijal negativne elektrode litij-ionskih baterija ili kao materijal za sakupljanje struje.
1.6.2 Kolektor struje od legure titan nikla s memorijom oblika
Titan nikal legura s pamćenjem oblika je binarna legura sastavljena od nikla i titana, koja se može transformirati između dvije različite kristalne faze s promjenama vanjske temperature ili tlaka. Titan nikal memorija oblika legura može potisnuti promjenu volumena aktivnih tvari tijekom punjenja i pražnjenja promjenom vlastitog faznog stanja, čime se poboljšava životni vijek baterija.
1.6.3 Sakupljač struje od aluminijske folije obložen ugljikom
Kolektor struje obložen ugljikom/aluminijskom folijom odnosi se na kompozitni kolektor struje u kojem je kompozitni sloj koji sadrži ugljik obložen na površini aluminijske folije. Među njima, sloj koji sadrži ugljik sastoji se od ugljičnih vlakana i vodljivih čestica čađe tretiranih disperzantima, koji se mogu čvrsto spojiti s aluminijskom folijom kako bi se poboljšala vodljivost i otpornost elektrode na koroziju.
Sakupljač struje jedna je od nezamjenjivih i važnih komponenti u litij-ionskim baterijama, s višestrukim funkcijama prijenosa aktivnih materijala elektrode i prikupljanja izlazne struje. Učinak kolektora struje pripremljenih od različitih materijala i proizvodnih procesa varira, a njihov utjecaj na litij-ionske baterije također je različit.