多孔集流体的制备及其对锂电池性能的影响

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负极集流体是锂离子电池的重要组成部分,直接决定电池的内阻,影响电池的寿命和循环稳定性。目前商用锂离子电池的负极集流体多为电解铜箔,其局部电流过高易引起锂枝晶生长而导致电池失效,存在一定的安全隐患。采用多孔集流体能充分利用其多孔结构和高比表面积,在一定程度上减缓枝晶生长,从而提高锂离子电池的循环稳定性和寿命。本研究提出一种新方法——真空物理脱合金法去制备多孔负极集流体材料,并成功通过优化原材料成分、脱合金温度和时间等工艺条件制备出孔径尺寸为1~3μm,孔带尺寸在3~5μm的多孔铜箔,最佳制备工艺为(用10μm厚的Cu6.5Zn3.5黄铜箔片在真空度(约为0.6Pa)、500℃环境下物理脱合金处理3h可得多孔铜箔)。相比电解铜箔,制备出的多孔铜箔具有均匀分布的多孔结构、较大的比表面积、良好的连通性等特点,有助于提升锂离子电池在使用过程中循环稳定性。以传统电解铜箔集流体为参照,对比测试和研究了多孔铜箔集流体对锂离子电池在恒流充放电、倍率性能、循环伏安和电化学阻抗等性能的影响,发现多孔铜箔集流体可以明显的提高锂离子电池的循环寿命和稳定性,电池寿命可达1300h,并且多孔铜箔集流体电池在循环80次后,其比容量为161.77m Ah g-1,比容量保留率为48.9%,而使用普通电解铜箔集流体电池在循环80次后,其负极比容量为78.60m Ah g-1,比容量保留率只剩下24.4%。主要原因在于多孔铜箔集流体的多孔结构提供更多空间给负极活性材料;同时较大的比表面积能够降低局部电流密度,形成稳定的固体电解质界面层(Solid Electrolyte Interphase,SEI);连通的多孔结构为锂离子的传输提供了更加快速的通道;这些原因都保证锂离子电池在使用过程中的循环稳定性。
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