アルミニウム箔は、市販のリチウムイオン電池の主な正極集電体です。-しかし、従来のアルミニウム箔集電体には、剛性箔とカソード活物質ユニットの間の界面での接触抵抗を含むいくつかの課題があり、大きな界面抵抗が発生します。活物質との接着力が弱く、充放電サイクル中の電極の連続的な体積変化と相まって、活物質の剥離 (「発塵」) を引き起こし、容量の低下と寿命の低下を加速する可能性があります。さらに、電解質の酸化分解による生成物がアルミニウム箔上で電気化学反応に関与し、腐食を促進する可能性があります。これらの問題に対処するために、化学エッチング、電気化学エッチング、DC陽極酸化、コロナ処理、基板表面に適用される導電性コーティング（グラフェンコーティング、カーボンナノチューブコーティング、複合コーティングなど）など、アルミニウム箔のさまざまな改質方法が検討されてきました。これらのいくつかはすでに商用製品に使用されています。近年、導電性コーティング、特にカーボン-でコーティングされたアルミニウム箔が広く採用されています。主な理由は、カソード集電体の界面接触抵抗を低減し、分極を軽減し、その結果、バッテリーの放電率能力をある程度高めることができることです。
炭素コーティングされた箔に関する現在の研究は、主に、箔とカソード配合物との適合性およびレート性能に焦点を当てています。化学的腐食、電気化学的エッチング、コロナ処理などの方法により、アルミニウム箔の濡れ性と表面粗さを改善し、電荷移動抵抗を低減し、レートとサイクル性能を向上させることができます。グラフェン、カーボン ナノチューブ、防食コーティングなどのコーティングはすべて、電池の性能を向上させることが証明されています。-たとえば、ある研究では、グラフェンコーティングにより 50 サイクル後の内部抵抗の増加がわずか 5 mΩ であり、良好な接着力が実証されたことが示されています。スラリーシステム、プロセス実装、および表面処理技術に関して重要な研究が行われてきましたが、炭素コーティングの厚さがセル全体の性能、特にリン酸鉄リチウム (LFP) カソードのレートとサイクル性能に及ぼす影響はほとんど報告されていません。この研究では、主に基板として厚さ 16 μm のアルミニウム箔を使用し、さまざまな炭素コーティング厚さによる箔の形態変化と、その後の電池性能への影響を調査しました。
異なる厚さのコーティング箔の物理的特性
表の間に示されているように、箔の面密度は、導電性コーティングの厚さとともに徐々に増加します。箔の電気抵抗は厚さに対して直線的に変化しません。カーボンコーティングが施された集電体はすべて、純アルミニウムよりも導電率が低く、抵抗値が 2 ～ 6 倍高くなります。サンプル Al-2 は最も低い内部抵抗を示し、Al-5 は最も高い内部抵抗を示します。これは、コーティング重量が増加するにつれて、コーティング内の（導電性の低い）結合剤/コロイド材料の含有量が増加することに起因すると考えられます。炭素コーティングの厚さが増加すると、リン酸鉄リチウム (LFP) 活物質と導電性コーティング層の間の接触面積も増加し、剥離強度が増加します。しかし、埋め込まれた領域が増えると、導電層内の活物質とバインダー/コロイド材料との接触も増加し、その結果、抵抗が増加します。
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いいえ。
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総厚さ μm
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面密度 g · m－2
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コーティング面密度 g · m－2 |
抵抗 /mΩ
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| 両面- | 片面- | ||||
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アル |
16 |
43. 036 76 |
0 |
0 |
21. 17 |
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Al-1 |
17 |
44. 691 79 |
1. 655 0 |
0. 827 5 |
77. 51 |
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Al-2 |
18 |
45. 583 08 |
2. 546 3 |
1. 273 1 |
43. 21 |
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Al-3 |
19 |
46. 219 72 |
3. 182 9 |
1. 591 4 |
58. 70 |
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Al-4 |
20 |
47. 302 00 |
4. 265 2 |
2. 132 6 |
111. 10 |
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Al-5 |
21 |
48. 766 26 |
5. 729 4 |
2. 864 7 |
131. 10 |
異なる厚さのコーティング箔の形態および元素分析
カーボンでコーティングされた基材の表面は全体的に緩んで多孔質になっています。-裸のアルミ箔に比べて表面が粗くなり、粒子との接触点が増えます。表面トポグラフィーのうねりは、導電性コーティングの厚さが増加するにつれてより顕著になります。ただし、Al-1 箔の場合でも、炭素層は裸のアルミニウム箔上に均一にコーティングされています。この導電性コーティングは、サイズが約 3.4 μm の粒子と、150 ～ 200 nm の範囲のより小さな粒子で構成されており、導電性コーティング スラリーからの粒子の凝集が観察されます。異なる厚さの炭素被覆アルミニウム箔を使用して製造されたコイン電池はすべて、対称的な酸化および還元ピークを示し、裸のアルミニウム箔と比較して酸化還元反応の可逆性が優れていることを示しています。酸化ピークと還元ピークの間の電位差は、裸のアルミニウム箔の電位差よりも小さく、炭素コーティングの存在が電極の分極を緩和することを示唆しています。
結論
物理化学的性質の観点から
- 電極シートの剥離強度は、炭素被膜の厚みが増すにつれて増加します。
- 電極シートの抵抗は、コーティングの厚さとともに増加します。
- 最小抵抗値は総厚さ２．０μｍで観測された。
- 厚さが 4.0 μm および 5.0 μm になると、電荷移動抵抗が増加し、Li+ の拡散能力が弱まり、分極が増加します。
- これらの結果は、炭素膜の厚さを適切な範囲に制御する必要があることを示しています。
フルセルの電気化学的性能の観点から-
- カーボン-でコーティングされたアルミニウム箔は、室温での 0.5 ℃ と 2.0 ℃ のサイクル、および -20 度での低温放電性能において利点を実証しました。-
- これらの条件下での最適なサイクル性能は、合計コーティング厚さ 2.0 μm で観察されました。
- この実験では、1.0C の電流速度で、裸のアルミニウム箔が優れたサイクル性能を示し、1,500 サイクル後も 90% 以上の容量保持を維持することも明らかになりました。この発見は、炭素でコーティングされたアルミニウム箔のメカニズムをさらに研究するための方向性を提供します。{5}
- 性能はカーボンコーティングの厚さによって異なります。過度に厚いコーティング厚（例えば、4.0μmおよび5.0μm）を使用すると、電池性能は効果的に向上せず、代わりにスラリー材料が無駄になり、コストが増加します。
- 裸のアルミニウム箔は 1.0C で最適なサイクル寿命を達成できますが、そのサイクル曲線は大きな変動を示し、これはバッテリーの健全性状態 (SOH) の後の段階の推定に悪影響を及ぼします。-
全ての指標を総合的に考慮すると、炭素膜の総厚さは1.0 μmカーボン コーティングされたアルミニウム ホイルとして最適なコスト パフォーマンスの選択肢-です。-
参考文献
中国国家知識基盤 (CNKI)
当社の製品リンクにアクセスできますhttp://www/カーボン-コーティングされた-箔/カーボン-コーティングされた-アルミニウム-箔/カーボン-コーティングされた-アルミニウム-箔-for.html詳細については
