為什么鋰離子電池集流體正極需用鋁箔，負極要用銅箔

簡單點說，電池集流體的選擇遵循3個原則：導電性、成本、電化學原則，分別如下：

1、導電性原則，導電性越強越好；
2、成本，越低越好。常見金屬中，銅和鋁都是符合集流體材料的，銅比鋁貴，能用鋁就不用銅；
3、正極不能用銅箔，是因為在高電位下銅箔很容易被氧化，氧化銅是不導電的；負極不能用鋁箔，是因為在低電位下鋁箔和鋰很容易形變鋰鋁合金。

 

特別要注意的是：只有負極是石墨或者硅碳體系，負極集流體采用銅箔；對于鈉離子電池和鈦酸鋰電池，負極箔材都用鋁箔，鋁殼都帶負電，降低殼體與卷芯短路的風險（卷芯最外圈是負極）。

 

詳細一點的話，就稍微復雜點，有興趣的同學可以繼續(xù)看下面內容。

 

鋰離子電池通常使用的正極集流體是鋁箔，負極集流體是銅箔。集流體的主要作用就是導電。這與我們電線的材料類似也是用銅絲或者鋁絲。因為導體依導電系數大小可排列為銀→銅→金→鋁→鎢→鎳→鐵。

 

最好的肯定是銀，但是貴金屬元素畢竟稀有，而世界上銅和鋁元素資源豐富，價格也相對便宜。在鋰電池制備過程中，我們主要有卷繞和疊片兩種加工方式。相對于卷繞來說，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不發(fā)生脆斷等問題，而金屬材料中，銅鋁箔是質地較軟的金屬。

另一方面，銅鋁箔在空氣中也相對比較穩(wěn)定。鋁很容易跟空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，在鋁表面層生成一層致密的氧化膜，阻止鋁的進一步反應，而這層很薄的氧化膜在電解液中對鋁也有一定的保護作用。銅在空氣中本身比較穩(wěn)定，在干燥的空氣中基本不反應。

 

銅/鎳表面氧化層屬于半導體，電子導通；而鋁表面氧化層氧化鋁屬絕緣體，氧化層不能導電，但由于其很薄，通過隧道效應實現(xiàn)電子電導，若氧化層較厚，阻抗較大，導電性能差，甚至絕緣。

 

一般集流體在使用前最好要經過表面清洗，一方面洗去油污，同時可除去厚氧化層。鋰電池正負極電位決定正極用鋁箔，負極用銅箔，而非反過來。正極電位高，銅/鎳箔氧化層較疏松些，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，對內部的鋁也有較好的保護作用。

 

另外一點就是鋁在低電位下與鋰會發(fā)生合金化反應（例如負極為鋰0 V或石墨0.2 V）因而被消耗。金屬鋁的晶格八面體空隙大小與Li 大小相近，極易與Li形成金屬間隙化合物，Li 和Al不僅形成了化學式為LiAl的合金，還有可能形成了Li₃Al₂或 Li₄Al₃。

由于金屬Al與Li 反應的高活潑性，使金屬Al消耗了大量的Li，本身的結構和形態(tài)也遭到破壞，故不能作為鋰離子電池負極的集流體；而Cu在電池充放電過程中，只有很少的嵌鋰容量，并且保持了結構和電化學性能的穩(wěn)定，可作為鋰離子電池負極的集流體；但是若銅/鎳表面大量氧化，在稍高電位下Li會與氧化銅/鎳發(fā)生嵌鋰反應，Cu箔在3.75V時，極化電流開始顯著增大，并且呈直線上升，氧化加劇，表明Cu在此電位下開始不穩(wěn)定；而鋁箔在整個極化電位區(qū)間，極化電流較小，并且恒定，沒有觀察到明顯腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，保持了電化學性能的穩(wěn)定。由于在鋰離子電池正極電位區(qū)間，Al的嵌鋰容量較小，并且能夠保持電化學穩(wěn)定，適合作鋰離子電池的正極集流體。如果使用高電位負極（鈦酸鋰1.5 V）的話，集流體也是可以用鋁箔的。

 

鋰電用銅鋁箔純度要求：

 

為了保證集流體在電池內部穩(wěn)定性，二者純度都要求在98%以上。Al的成分不純會導致表面膜不致密而發(fā)生點腐蝕，更甚由于表面膜的破壞導致生成 LiAl合金。

 

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)在已經不少電池生產廠家已經量產使用10um的鋁箔，甚至用到8um 。而負極用銅箔，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用 6um，以及部分廠家正在開發(fā)的5um/4um都是有可能使用的。

 

由于鋰電池對于使用的銅鋁箔純度要求高，材料的密度基本在同一水平，隨著開發(fā)厚度的降低，其面密度也相應降低，電池的重量自然也是越來越小，符合我們對于鋰電池的需求。

鋰電用銅鋁箔表面粗糙度要求:

 

對于集流體，除了其厚度重量對鋰電池有影響外，集流體表面性能對電池的生產及性能也有較大的影響。尤其是負極集流體，由于制備技術的缺陷，市場上的銅箔以單面毛、雙面毛、雙面粗化品種為主。

 

這種兩面結構不對稱導致負極兩面涂層接觸電阻不對稱，進而使兩面負極容量不能均勻釋放；同時，兩面不對稱也引發(fā)負極涂層粘結強度不一致，使兩面負極涂層充放電循環(huán)壽命嚴重失衡，進而加快電池容量的衰減。

 

總而言之，影響集流體的使用條件包括它的導電性、柔軟性以及適用電位等因素。

 

這些知識，在電池廠商里，特別是技術人員眼中，是比較簡單的，但是對很多非專業(yè)人士而言，還是較為神秘，這里做一個科普，希望對大家有所幫助。隨便，給大家介紹一個在電池行業(yè)里已經深耕22年的老牌電池廠商，他們在電池制造工藝、技術等方面有著獨特優(yōu)勢，也是我國內唯一一家集鋰電池、鎳氫電池、鎳鋅電池、鋅離子電池和戶外儲能產品的研發(fā)、生產、銷售于一體的電池制造企業(yè)，這就是倍特力電池有限公司（ BPI），公司成立于2002年，總部位于深圳市龍華區(qū)同富邨工業(yè)園；簡稱江西倍特力是其制造基地 ，位于江西省宜春經濟技術開發(fā)區(qū)春順路 999號。江西倍特力占地面積200畝，在宜春經濟技術開發(fā)區(qū)連續(xù)四年進入全省工業(yè)園區(qū)行列，是江西省產業(yè)經濟“十個千億工程”園區(qū)、江西省十個生態(tài)工業(yè)園區(qū)試點單位和江西省省級現(xiàn)代服務業(yè)集聚區(qū)。如果有電池方面的需求，相信倍特力能滿足！