鋰離子電池使用3D泡沫集流體好不好？

當(dāng)前鋰離子電池的集流體普遍采用Al箔和Cu箔，正負(fù)極活性物質(zhì)通過涂布工藝在集流體的表面形成二維膜，集流體與活性物質(zhì)膜之間只是通過有限的界面接觸，因此接觸阻抗較大，容易成為鋰離子電池倍率性能的限制因素。

集流體是鋰離子電池內(nèi)部重要的組成部分，正負(fù)極活性物質(zhì)中的電子通過集流體進(jìn)入到外電路，并最終返回到另一側(cè)的活性物質(zhì)之中。目前商業(yè)鋰離子電池普遍采用的集流體為Al箔和Cu箔，正負(fù)極活性物質(zhì)通過涂布工藝在集流體的表面形成二維膜，集流體與活性物質(zhì)膜之間只是通過有限的界面接觸，因此接觸阻抗較大，容易成為鋰離子電池倍率性能的限制因素。

增加接觸面積是降低活性物質(zhì)與集流體之間接觸電阻的最為有效的方法，采用泡沫Al和泡沫Cu作為集流體，可以有效增加了活性物質(zhì)與集流體之間的接觸面積，從而能將鋰離子電池的涂布量提高到創(chuàng)紀(jì)錄的16.7mAh/cm2(138mg/cm2，普通高比能電池的兩倍)，鋰離子電池的體積能量密度提升達(dá)到22%，同時(shí)該電極結(jié)構(gòu)還改善了鋰離子電池的熱穩(wěn)定性，在外短路和擠壓測試中采用該結(jié)構(gòu)的電池產(chǎn)生的最高溫度僅為普通電池的25%。

泡沫Al和泡沫Cu集流體，泡沫Al的厚度為1mm，孔隙率為95%，孔密度為45PPI(每英寸孔的數(shù)量)，泡沫Cu的厚度也為1mm，孔隙率為94%，孔密度為105PPI。將鋰離子電池漿料填充在這些微孔之中，并在80℃下干燥24h，然后采用輥壓工藝將上述電極碾壓到600um，其中正極采用LiCoO2作為活性物質(zhì)，負(fù)極采用石墨作為活性物質(zhì)。

在0.38mA/cm2的電流密度下，單位面積的可逆容量達(dá)到16.7mAh/cm2，是普通高比能鋰離子電池的兩倍左右。但是電極的容量隨著倍率增加衰降較快，當(dāng)放電電流提高到1.88mA/cm2后，電極的單位面積容量就下降到了5mAh/cm2。

泡沫集流體的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在提升體積能量密度上，泡沫集流體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得鋰離子電池的安全性得到了大幅提升，根據(jù)測試采用泡沫集流體的電池在外短路試驗(yàn)中，開始3s的電流僅為普通商業(yè)電池的38%，在隨后的5min里更是下降到了普通商業(yè)鋰離子電池的14%，短路電流的下降也帶來了產(chǎn)熱的降低，在整個(gè)外短路試驗(yàn)中電池的最高溫度僅為普通商業(yè)電池的25%。

Al的密度較輕，因此在微孔密度45PPI時(shí)金屬Al所占正極的比重僅為8%，但是微孔密度為105PPI的泡沫Cu卻占到了負(fù)極重量的38%以上，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)降低泡沫Cu的微孔密度和厚度，以提重量能量密度。

采用泡沫Al、泡沫Cu作為鋰離子電池的集流體主要優(yōu)勢體現(xiàn)在高負(fù)載量上，達(dá)到了138mg/cm2，是普通Al箔、Cu箔集流體的負(fù)載量的兩倍以上，因此在體積能量密度上就體現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢，比普通商業(yè)鋰離子電池高出22%，但是由于泡沫Cu的重量比較大因此在重量能量密度上，采用泡沫集流體的電池要比普通商業(yè)鋰離子電池低11%左右。因此總的來看，泡沫Al、Cu集流體更加適合應(yīng)用在一些對于鋰離子電池充放電倍率要求不高，但是對鋰離子電池體積限制比較大的領(lǐng)域，例如穿戴設(shè)備和微電子等領(lǐng)域。