鋰電池負極用銅箔的原因
鋰電池是利用儲存在正極材料中的鋰離子以及電子在充電放電過程中反向移動從而實現(xiàn)正常工作的，其主要結(jié)構(gòu)為正極、負極和電解液。除了主要的四大部分外，用來存放正負極材料的集流體也是鋰電池的重要組成部分，其主要功能是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來，以便形成較大的電流對外輸出。根據(jù)鋰離子電池的工作原理和結(jié)構(gòu)設計，正極和負極材料需涂覆于導電集流體上，因此集流體應與活性物質(zhì)充分接觸，并且內(nèi)阻應盡可能小。
銅箔和鋁箔具有良好的導電性、、已形成氧化保護膜、質(zhì)地較軟有利于粘結(jié)、制造技術(shù)較成熟、價格相對低廉等優(yōu)勢，因此被選擇作為鋰電池集流體的主要材料。鋰電池的正極電位高，鋁箔的氧化層比較致密，可防止集流體氧化，而銅在高電位下會發(fā)生嵌鋰反應，不宜做正極集流體，正極集流體一般采用鋁箔；而負極的電位低，鋁箔在低電位下易形成鋁鋰合金，負極集流體一般采用銅箔，銅箔和鋁箔之間不具備互替性。
鋰離子電池原理圖
鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)
鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)電池的負極活性物質(zhì)由約90%的負極活性物質(zhì)碳材料、4%~5%的乙炔黑導電劑、6%~7%的粘合劑均勻混合后，一般將配好的負極活性醬料均勻涂覆于銅箔集流體表面，活性材料厚度為50~100m，經(jīng)干燥、滾壓、分切等工序，制得負極電極。鋰電池的基本性能與整個電池系統(tǒng)的材料密切相關(guān)。對于負極，除負極活性材料外，銅箔的質(zhì)量也對負極制作工藝及電池性能有很大影響。
鋰電銅箔性能指標對鋰電池的影響
作為鋰電池的集流體的鋰電銅箔，一般厚度通常在7-20μm之間。目前新能源汽車配備的銅箔厚度為8~12μm，整車銅箔的質(zhì)量達到10kg以上。鋰電銅箔厚度越小，意味著電池的重量將越輕。同時，更薄的鋰電銅箔也意味著更小的電阻，則電池的性能也將得到提升。因此，減輕電池上銅箔的質(zhì)量，降低銅箔原材料成本，同時提供更高的能量密度，成為動力鋰電池用銅箔關(guān)鍵。我們認為，未來使用更加輕薄的鋰電銅箔是大趨勢。
鋰電銅箔性能要求
為何負極用銅箔，正極用鋁箔？
對于鋰離子電池來說，通常使用的正極集流體是鋁箔，負極集流體是銅箔。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，無論是用于數(shù)碼產(chǎn)品的鋰電池還是電動汽車的電池，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，從直觀上來減少電池的體積和重量。鋰離子電池的正極為什么用鋁箔，而負極用銅箔，原因有以下三點：
☆一是銅鋁箔導電性好，質(zhì)地軟，價格便宜。
我們都知道，鋰電池工作原理是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學裝置，那么在這個過程中，我們需要一種介質(zhì)把化學能轉(zhuǎn)化的電能傳遞出來，這里就需要導電的材料。而在普通材料中，金屬材料是導電性最好的材料而在金屬材料里價格便宜導電性又好的就是銅箔和鋁箔。同時，在鋰電池中，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，銅鋁箔也是質(zhì)地較軟的金屬。最后就是考慮電池制備成本，相對來說，銅鋁箔價格相對便宜，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。
☆三是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，對內(nèi)部的鋁也有較好的保護作用。采用兩者做集流體都是因為兩者導電性好，質(zhì)地比較軟（可能這也會有利于粘結(jié)），也相對常見比較廉價，同時兩者表面都能形成一層氧化物保護膜。
一、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和電化學性能的穩(wěn)定，可作為鋰離子電池負極的集流體；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。
二、銅/鎳表面氧化層屬于半導體，電子導通，氧化層太厚，阻抗較大；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，鋁箔導電性級差，甚至絕緣。一般集流體在使用前最好要經(jīng)過表面清洗，一方面洗去油污，同時可除去厚氧化層。
三、正極電位高，鋁薄氧化層非常致密，可防止集流體氧化。而銅/鎳箔氧化層較疏松些，為防止其氧化，電位比較低較好，同時Li難與Cu/鎳在低電位下形成嵌鋰合金，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)生嵌鋰發(fā)應。而鋁箔不能用作負極，低電位下會發(fā)生LiAl合金化。
四、集流體要求成分純。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(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(chǎn)及性能也有較大的影響。尤其是負極集流體，由于制備技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)強度不一致，是的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。