組成鋰離子電池的四大主要部分是正極材料、負(fù)極材料、隔離膜和電解液。但是，除了主要的四大部分外，用來(lái)存放正負(fù)極材料的集流體也是鋰電池的重要組成部分。今天我們就來(lái)聊聊鋰電池正負(fù)極集流體材料

一、集流體基本信息

對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，通常使用的正極集流體是鋁箔，負(fù)極集流體是銅箔，為了保證集流體在電池內(nèi)部穩(wěn)定性，二者純度都要求在98%以上。隨著鋰電技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)論是用于數(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盡量高，電池的重量越來(lái)越輕，而在集流體這塊最主要就是降低集流體的厚度和重量，從直觀上來(lái)減少電池的體積和重量。

1

鋰電用銅鋁箔厚度要求

隨著近些年鋰電迅猛發(fā)展，鋰電池用集流體發(fā)展也很快。正極鋁箔由前幾年的16um降低到14um，再到12um，現(xiàn)在已經(jīng)不少電池生產(chǎn)廠家已經(jīng)量產(chǎn)使用10um的鋁箔，甚至用到8um。而負(fù)極用銅箔，由于本身銅箔柔韌性較好，其厚度由之前12um降低到10um，再到8um，到目前有很大部分電池廠家量產(chǎn)用6um，以及部分廠家正在開(kāi)發(fā)的5um/4um都是有可能使用的。由于鋰電池對(duì)于使用的銅鋁箔純度要求高，材料的密度基本在同一水平，隨著開(kāi)發(fā)厚度的降低，其面密度也相應(yīng)降低，電池的重量自然也是越來(lái)越小，符合我們對(duì)于鋰電池的需求。

2

鋰電用銅鋁箔表面粗糙度要求

對(duì)于集流體，除了其厚度重量對(duì)鋰電池有影響外，集流體表面性能對(duì)電池的生產(chǎn)及性能也有較大的影響。尤其是負(fù)極集流體，由于制備技術(shù)的缺陷，市場(chǎng)上的銅箔以單面毛、雙面毛、雙面粗化品種為主。這種兩面結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致負(fù)極兩面涂層接觸電阻不對(duì)稱，進(jìn)而使兩面負(fù)極容量不能均勻釋放;同時(shí)，兩面不對(duì)稱也引發(fā)負(fù)極涂層粘結(jié)強(qiáng)度不一致，是的兩面負(fù)極涂層充放電循環(huán)壽命嚴(yán)重失衡，進(jìn)而加快電池容量的衰減。

同理，正極鋁箔也盡量向雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)發(fā)展，但是目前受到鋁箔制備工藝的影響，主要還是用單面光鋁箔。由于鋁箔基本都是由厚度較大的鋁錠軋制而成，在軋制過(guò)程中需要控制鋁錠與軋輥的接觸，所以一般都會(huì)對(duì)鋁箔表面進(jìn)行添加潤(rùn)滑劑，來(lái)保護(hù)鋁錠和軋輥，而表面的潤(rùn)滑劑對(duì)電池極片有一定的影響，因此，對(duì)鋁箔來(lái)說(shuō)，表面除潤(rùn)滑劑也是關(guān)鍵因素。

3

為什么負(fù)極用銅箔，正極用鋁箔?

一是銅鋁箔導(dǎo)電性好，質(zhì)地軟，價(jià)格便宜。我們都知道，鋰電池工作原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)裝置，那么在這個(gè)過(guò)程中，我們需要一種介質(zhì)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化的電能傳遞出來(lái)，這里就需要導(dǎo)電的材料。而在普通材料中，金屬材料是導(dǎo)電性最好的材料而在金屬材料里價(jià)格便宜導(dǎo)電性又好的就是銅箔和鋁箔。同時(shí)，在鋰電池中，我們主要有卷繞和疊片兩種加工方式。

相對(duì)于卷繞來(lái)說(shuō)，需要用于制備電池的極片具有一定的柔軟性，才能保證極片在卷繞時(shí)不發(fā)生脆斷等問(wèn)題，而的金屬材料中，銅鋁箔也是質(zhì)地較軟的金屬。最后就是考慮電池制備成本，相對(duì)來(lái)說(shuō)，銅鋁箔價(jià)格相對(duì)便宜，世界上銅和鋁元素資源豐富。

二是銅鋁箔在空氣中也相對(duì)比較穩(wěn)定。鋁很容易跟空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鋁表面層生成一層致密的氧化膜，阻止鋁的進(jìn)一步反應(yīng)，而這層很薄的氧化膜在電解液中對(duì)鋁也有一定的保護(hù)作用。銅在空氣中本身比較穩(wěn)定，在干燥的空氣中基本不反應(yīng)。

三是鋰電池正負(fù)極電位決定正極用鋁箔，負(fù)極用銅箔，而非反過(guò)來(lái)。正極電位高，銅箔在高電位下很容易被氧化，而鋁的氧化電位高，且鋁箔表層有致密的氧化膜，對(duì)內(nèi)部的鋁也有較好的保護(hù)作用。

二、集流體類別及制備工藝流程

1

銅箔種類

根據(jù)銅箔制備方法，主要有壓延銅箔和電解銅箔兩種。電池發(fā)明的早期，由于銅箔制備工藝設(shè)備技術(shù)等的限制，主要使用成本較高的壓延銅箔，壓延銅箔(Rolled Copper Foil) 是將銅板經(jīng)過(guò)多次重復(fù)輥軋而制成的原箔(也叫毛箔)，根據(jù)要求進(jìn)行粗化處理。

解銅箔(Electrode Posited copper)是將銅先經(jīng)溶解制成溶液，再在專用的電解設(shè)備中將硫酸銅電解液在直流電的作用下，電沉積而制成原箔，然后根據(jù)要求對(duì)原箔進(jìn)行表面處理、耐熱層處理及防氧化處理等一系列的表面處理。電解銅箔不同于壓延銅箔，電解銅箔兩面表面結(jié)晶形態(tài)不同，緊貼陰極輥的一面比較光滑，稱為光面;另一面呈現(xiàn)凹凸形狀的結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)，比較粗糙，稱為毛面。

2

銅箔制備工藝流程

(1)壓延銅箔制備流程

壓延銅箔是將銅板經(jīng)過(guò)多次重復(fù)輥軋，并且進(jìn)行一定溫度的退火，反復(fù)酸洗軋制而成的。銅箔軋制工藝參數(shù)控制嚴(yán)格，對(duì)設(shè)備及工藝控制的要求很高，目前主要是日本在生產(chǎn)，少量用于鋰電池上。

(2)電解銅箔制備流程

電解銅箔是將銅溶解制成溶液，在特制的溶解容器中將硫酸銅電解液在直流電的作用下，電沉積而制成原箔，然后根據(jù)要求對(duì)原箔進(jìn)行表面處理、耐熱層處理及防氧化處理等一系列的表面處理。

相比較壓延銅箔，電解銅箔的制備相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備要求相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。鋰離子電池用銅箔大部分使用電解銅箔作為負(fù)極基材。

電解銅箔在制備的過(guò)程中，由于銅箔在電解時(shí)是依靠含銅電解液在鈦輥上生箔的，所以銅箔在貼近鈦輥面是光滑的，稱作光面;另一面是凸凹不平的結(jié)晶組織面，是相對(duì)較粗糙的，稱作毛面。

在電解銅箔制備過(guò)程中需要控制電解液溫度、電解液濃度、添加劑含量以及生箔時(shí)電解液的流速等因素。對(duì)于鋰電用電解銅箔，前期制箔過(guò)程中控制的因素會(huì)影響到銅箔本身的純度、厚度/重量均勻性、強(qiáng)度和延伸率等性能。電解銅箔經(jīng)過(guò)電解生成后的厚度一般就是生產(chǎn)廠家需要的厚度，后期需要對(duì)銅箔表面進(jìn)行清洗處理，除去表面殘留的電解液，表面抗氧化處理以及干燥處理。在這過(guò)程中，表面處理的成都直接影響著銅箔表面光潔度，以及銅箔表面的張力問(wèn)題。

表面處理后需要符合鋰電用銅箔涂覆要求，過(guò)于光滑涂覆效果差，過(guò)于粗糙對(duì)電池性能均一性有影響，同時(shí)，表面處理后銅箔的表面張力對(duì)于后期銅箔的分切效率及電池制備工序起著很重要的作用。

銅箔表面處理完成后就需要分切，分切成鋰電廠家需要的寬度和長(zhǎng)度。對(duì)于大量使用銅箔基材的廠家，希望銅箔寬度適合，銅箔長(zhǎng)度在可搬運(yùn)范圍內(nèi)長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，這樣可以提高批量生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。但是目前由于受到制箔設(shè)備和分切設(shè)備等的影響，銅箔長(zhǎng)度一般都在2500m范圍以內(nèi)。

3

鋁箔種類

鋁箔主要以軋制的方法制備而成，其分類方法主要是按照雜質(zhì)種類及含量分類，鋰電用鋁箔主要有1系、3系和8系鋁箔，分別是工業(yè)純鋁、鋁錳系及鋁與其他不常見(jiàn)元素。

4

鋁箔的制備工藝流程

鋁箔生產(chǎn)主要是通過(guò)將鋁箔胚料經(jīng)過(guò)多次軋制多次熱處理軋制成需要的厚度。在這個(gè)過(guò)程中主要有粗軋和精軋兩道工序，精軋后會(huì)對(duì)鋁箔進(jìn)行表面處理，最后將鋁箔分切成鋰電廠家需要的寬度和長(zhǎng)度，在這個(gè)過(guò)程中也需要很好的控制鋁箔的張力。

一般鋰電池用鋁箔生產(chǎn)廠家使用上游供應(yīng)商提供的鋁錠進(jìn)行軋制，所以鋁錠的成分基本已定，后期對(duì)鋁箔的強(qiáng)度延伸率的需求都是通過(guò)控制軋制壓力和控制熱處理工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。銅箔主要供應(yīng)商隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，全球?qū)︿囯姵氐囊蕾囋絹?lái)越強(qiáng)烈，對(duì)鋰離子電池材料的需求也越來(lái)越多，隨之帶來(lái)的更多的材料供應(yīng)商。負(fù)極集流體銅箔的供應(yīng)商也從國(guó)外逐漸轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)。對(duì)于全球而言，銅箔供應(yīng)商主要分布在亞洲地區(qū)，主要有日本的三井金屬、日本能源、古河電工、福田金屬和日光材料等，還有韓國(guó)第一大廠日進(jìn)公司，以及***的長(zhǎng)春銅箔和南亞塑膠。全球最大銅箔廠是三井金屬，分布于日本、***、美國(guó)、法國(guó)和馬來(lái)西亞各地。中國(guó)國(guó)內(nèi)供應(yīng)商主要有上海金寶、廣東梅縣梅雁電解銅箔、靈寶華鑫銅箔、中科英華高技術(shù)、惠州聯(lián)合銅箔以及其他一些較小的廠商，主要是生產(chǎn)電解銅箔。國(guó)內(nèi)銅箔產(chǎn)品產(chǎn)量相對(duì)較低，一般不能完全滿足鋰電池廠商的需求，需要從國(guó)外進(jìn)口部分產(chǎn)品，同時(shí)國(guó)內(nèi)也缺乏中高端銅箔，比如高強(qiáng)度高韌性、超薄銅箔。

5

鋁箔主要供應(yīng)商

鋁箔供應(yīng)商相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)主要有福來(lái)順、杭州五星、華西鋁業(yè)、南南鋁業(yè)、四方達(dá)公司、中南鋁業(yè)、上海美鋁以及深圳市振鑫箔電子包裝材料等供應(yīng)商。國(guó)外也是主要集中在日本，主要是日本的東洋鋁業(yè)和日立金屬等。

三、一些特殊集流體

特殊集流體主要是針對(duì)特殊需求性能的鋰電池，或者是未為了開(kāi)發(fā)更高性能材料的集流體。前段時(shí)間有相關(guān)專家提出“無(wú)負(fù)極電池”，其實(shí)就是設(shè)想負(fù)極銅箔被金屬鋰替代，而且鋰層很薄;同時(shí)，也有專家提出用廉價(jià)鐵替代價(jià)格較高的銅。但是這些信息發(fā)布后很快就遭到質(zhì)疑：從鋰層、鐵箔材料本身來(lái)看，性能方面滿足不了鋰電池說(shuō)需要的高性能，從制造工序和設(shè)備來(lái)看，很難滿足生產(chǎn)，最后的成本問(wèn)題也基本很難解決。

而也有研發(fā)團(tuán)隊(duì)不用其他材料替代負(fù)極基材銅箔，而是從銅箔本身出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，來(lái)改善性能，優(yōu)化鋰電池的性能。從最直觀的就是跟銅箔供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度高延伸率的銅箔，以及開(kāi)發(fā)更薄的銅箔，來(lái)提高電池能量密度;另外，就是采用銅網(wǎng)來(lái)提高電池能量密度。

石墨烯包覆鋁箔集流體的抗電化學(xué)腐蝕的示意圖

Wang M , Tang M , Chen S , et al. Graphene-Armored Aluminum Foil with Enhanced Anticorrosion Performance as Current Collectors for Lithium-ion Battery[J]. Advanced Materials, 2017, 29(47).

對(duì)于鋁箔，主要是對(duì)現(xiàn)有鋁箔進(jìn)行表面處理，比如粗化處理，清潔處理，或者在鋁箔表面涂上導(dǎo)電碳。最近研究較多的是涂炭鋁箔，在正常鋁箔表面涂上一層很薄的導(dǎo)電碳（如上圖舉例），來(lái)優(yōu)化電池性能。