Pengumpul arus adalah salah satu komponen yang sangat diperlukan dalam baterai lithium-ion. Ini tidak hanya dapat membawa bahan aktif, tetapi juga mengumpulkan dan mengeluarkan arus yang dihasilkan oleh bahan aktif elektroda, yang kondusif untuk mengurangi resistansi internal baterai lithium-ion, meningkatkan efisiensi coulomb, stabilitas siklus, dan kinerja laju baterai. baterai.
Pengumpul arus baterai lithium ion
Pada prinsipnya, pengumpul arus baterai lithium-ion yang ideal harus memenuhi kondisi berikut: (1) konduktivitas tinggi; (2) Stabilitas kimia dan elektrokimia yang baik; (3) Kekuatan mekanik yang tinggi; (4) Kompatibilitas dan kekuatan pengikatan yang baik dengan bahan aktif elektroda; (5) Murah dan mudah diperoleh; (6) Ringan.
Namun dalam penerapan praktisnya, material pengumpul arus yang berbeda masih memiliki berbagai permasalahan, sehingga tidak dapat sepenuhnya memenuhi persyaratan multiskala yang disebutkan di atas. Tembaga rentan terhadap oksidasi pada potensial yang lebih tinggi dan cocok untuk digunakan sebagai pengumpul arus elektroda negatif; Aluminium sebagai pengumpul arus elektroda negatif memiliki masalah korosi yang lebih serius dan cocok digunakan sebagai pengumpul arus elektroda positif. Saat ini, bahan yang dapat digunakan sebagai pengumpul arus pada baterai lithium-ion antara lain bahan konduktor logam seperti tembaga, aluminium, nikel, dan baja tahan karat, bahan semikonduktor seperti karbon, dan bahan komposit.
1.1 Kolektor arus tembaga
Tembaga merupakan konduktor logam yang sangat baik dengan konduktivitas kedua setelah perak, dan memiliki banyak keunggulan seperti sumber daya yang melimpah, biaya rendah dan ketersediaan mudah, serta keuletan yang baik. Namun mengingat tembaga rentan terhadap oksidasi pada potensial yang lebih tinggi, maka sering digunakan sebagai pengumpul arus untuk bahan aktif elektroda negatif seperti grafit, silikon, timah, dan paduan timah kobalt. Kolektor tembaga umum termasuk foil tembaga, tembaga busa, jaring tembaga, dan kolektor susunan tembaga nano tiga dimensi.
1.1.1 Kolektor arus foil tembaga
Menurut proses produksi foil tembaga, foil tembaga dapat dibagi lagi menjadi foil tembaga gulung dan foil tembaga elektrolitik. Dibandingkan dengan foil tembaga elektrolitik, foil tembaga yang digulung memiliki konduktivitas yang lebih tinggi dan efek ekstensi yang lebih baik. Baterai lithium ion dengan persyaratan kelengkungan rendah dapat memilih foil tembaga elektrolitik sebagai pengumpul arus elektroda negatif. Penelitian telah menunjukkan bahwa meningkatkan kekasaran permukaan foil tembaga bermanfaat untuk meningkatkan kekuatan ikatan antara pengumpul arus dan bahan aktif, mengurangi resistansi kontak antara bahan aktif dan pengumpul arus, dan dengan demikian meningkatkan kinerja laju pelepasan dan siklus. stabilitas baterai.
1.1.2 pengumpul tembaga busa
Tembaga busa merupakan salah satu bahan jaringan tiga dimensi mirip spons, yang memiliki banyak keunggulan seperti ringan, kekuatan dan ketangguhan tinggi, serta luas permukaan spesifik yang besar. Meskipun bahan aktif elektroda negatif silikon dan timah memiliki kapasitas spesifik teoretis yang tinggi dan dianggap sebagai salah satu bahan aktif elektroda negatif yang menjanjikan untuk baterai litium-ion, bahan tersebut juga memiliki kelemahan seperti perubahan volume yang besar dan penghancuran selama pengisian/pengosongan siklik, yang mana sangat mempengaruhi kinerja baterai. Penelitian menunjukkan bahwa pengumpul tembaga busa dapat menghambat perubahan volume bahan aktif silikon dan anoda timah selama proses pengisian dan pengosongan, memperlambat fenomena penghancuran, sehingga meningkatkan kinerja baterai.
1.2 Kolektor arus aluminium
Meskipun konduktivitas logam aluminium lebih rendah dibandingkan tembaga, kualitas kawat aluminium hanya setengah dari kawat tembaga ketika mengangkut listrik dalam jumlah yang sama. Tidak diragukan lagi, penggunaan pengumpul arus aluminium dapat membantu meningkatkan kepadatan energi baterai lithium-ion. Selain itu, dibandingkan tembaga, harga aluminium lebih murah. Selama proses pengisian/pengosongan baterai litium-ion, lapisan oksida padat terbentuk pada permukaan pengumpul arus aluminium foil, yang meningkatkan ketahanan korosi pada aluminium foil dan sering digunakan sebagai pengumpul arus untuk elektroda positif di baterai litium-ion.
Seperti pengumpul arus foil tembaga, perawatan permukaan juga dapat meningkatkan sifat permukaan aluminium foil. Setelah pengetsaan arus searah, struktur sarang lebah akan terbentuk pada permukaan aluminium foil, yang terikat lebih erat pada bahan aktif elektroda positif dan meningkatkan kinerja elektrokimia baterai lithium-ion. Namun, pada kenyataannya, pengumpul arus aluminium sering kali mengalami korosi parah akibat rusaknya lapisan pasif permukaan, yang menyebabkan penurunan kinerja baterai lithium-ion. Oleh karena itu, untuk meningkatkan ketahanan korosi pada aluminium foil tergores, perlu dilakukan optimasi permukaannya dan pembentukan film pasivasi yang lebih stabil.
1.3 Kolektor arus nikel
Secara relatif, nikel merupakan logam dasar dengan harga yang relatif murah, konduktivitas yang baik, dan stabilitas dalam larutan asam dan basa. Oleh karena itu, nikel dapat digunakan baik sebagai pengumpul arus elektroda positif maupun sebagai pengumpul arus elektroda negatif. Ada bahan aktif elektroda positif seperti litium besi fosfat dan bahan aktif elektroda negatif seperti bahan komposit nikel oksida, belerang, dan silikon karbon yang cocok.
Bentuk pengumpul nikel biasanya terdiri dari busa nikel dan foil nikel. Karena busa nikel telah mengembangkan saluran dan area kontak yang besar dengan zat aktif, resistansi kontak antara zat aktif dan kolektor berkurang. Saat menggunakan foil nikel sebagai pengumpul arus elektroda, seiring dengan meningkatnya jumlah siklus pengisian/pengosongan, bahan aktif cenderung terlepas, sehingga mempengaruhi kinerja baterai. Demikian pula, proses perlakuan awal permukaan juga berlaku untuk pengumpul arus foil nikel. Setelah mengetsa permukaan pengumpul arus foil nikel, kekuatan ikatan antara zat aktif dan pengumpul arus meningkat secara signifikan.
Nikel oksida memiliki keunggulan struktur yang stabil, harga murah, dan kapasitas spesifik teoritis yang tinggi, menjadikannya bahan aktif elektroda negatif yang banyak digunakan untuk baterai lithium-ion. Berdasarkan hal ini, lapisan oksida nikel ditumbuhkan secara in-situ pada permukaan nikel busa dengan metode oksidasi fase padat, dan anoda nikel oksida dengan nikel busa sebagai pengumpul disiapkan. Dibandingkan dengan elektroda negatif nikel foil/nikel oksida, kapasitas spesifik pelepasan pertama elektroda negatif busa nikel/nikel oksida meningkat secara signifikan. Alasannya adalah dibandingkan dengan pengumpul arus dua dimensi, pengumpul arus terstruktur tiga dimensi mengurangi fenomena polarisasi antarmuka dan meningkatkan stabilitas siklus pengisian/pengosongan baterai.
Litium besi fosfat dianggap sebagai bahan aktif positif yang ideal untuk memberi daya pada baterai litium ion karena keamanannya yang baik dan sumber bahan bakunya yang luas. Melapisinya pada permukaan pengumpul nikel busa dapat meningkatkan area kontak antara LiFePO4 dan nikel busa, mengurangi kepadatan arus reaksi antarmuka, dan dengan demikian meningkatkan kinerja laju pelepasan LiFePO4.
1.4 Kolektor arus baja tahan karat
Baja tahan karat mengacu pada baja paduan yang mengandung unsur-unsur seperti nikel, molibdenum, titanium, niobium, tembaga, dan besi. Ia memiliki konduktivitas dan stabilitas yang baik, dan dapat menahan korosi kimia dari media korosif lemah seperti udara, uap, dan air, serta media korosif kuat seperti asam, alkali, dan garam. Permukaan baja tahan karat juga rentan membentuk lapisan pasif yang dapat melindungi permukaannya dari korosi. Pada saat yang sama, baja tahan karat dapat diproses lebih tipis dari tembaga, dengan keunggulan seperti biaya rendah, proses sederhana, dan produksi skala besar. Baja tahan karat dapat digunakan sebagai pengumpul arus positif atau negatif, dan jenis pengumpul arus baja tahan karat yang umum termasuk jaring baja tahan karat dan baja tahan karat berpori.
1.4.1 Cairan pengumpul jaring baja tahan karat
Tekstur jaring baja tahan karat padat. Saat digunakan sebagai pengumpul arus, permukaannya dibungkus dengan bahan aktif elektroda dan tidak bersentuhan langsung dengan elektrolit, sehingga mengurangi kerentanan terhadap reaksi samping dan meningkatkan kinerja siklus baterai.
1.4.2 Pengumpul arus baja tahan karat berpori
Metode sederhana dan efektif untuk memanfaatkan sepenuhnya bahan aktif dan meningkatkan kapasitas spesifik pelepasan elektroda adalah dengan menggunakan pengumpul arus berpori.
1.5 Pengumpul arus karbon
Bila menggunakan bahan karbon sebagai pengumpul arus elektroda positif atau negatif, dapat menghindari korosi elektrolit pada pengumpul arus logam, dan memiliki keunggulan sumber daya yang melimpah, pemrosesan yang mudah, resistivitas rendah, tidak membahayakan lingkungan, dan harga murah.
Kain serat karbon dapat digunakan sebagai pengumpul arus untuk baterai lithium-ion fleksibel karena fleksibilitas, konduktivitas, dan stabilitas elektrokimia yang sangat baik. Tabung nano karbon adalah bentuk lain dari pengumpul arus karbon, yang memiliki keunggulan nyata dibandingkan pengumpul arus logam dalam hal bobotnya yang ringan dan dapat secara signifikan meningkatkan kepadatan energi baterai.
1.6 Kolektor arus komposit
Selain kolektor tunggal seperti kolektor tembaga, kolektor aluminium, kolektor nikel, kolektor baja tahan karat, dan kolektor karbon, kolektor komposit juga menarik minat penelitian para sarjana dalam beberapa tahun terakhir, seperti resin konduktif, aluminium foil berlapis karbon, dan titanium. paduan memori bentuk nikel.
1.6.1 Pengumpul arus resin konduktif
Pengumpul arus polietilen (PE) dan resin fenolik (PF) terdiri dari pengisi konduktif dan matriks resin polimer. Pengumpul arus komposit dibuat dengan mencampurkan PE dan PF secara seragam sebagai bahan matriks dengan pengisi konduktif (grafit, karbon hitam), dan sifat fisik dan kimianya dipelajari. Graphene adalah bahan fungsional karbon dua dimensi yang unik dan baru yang dibentuk oleh hibridisasi atom karbon sp2. Ini memiliki banyak keunggulan seperti konduktivitas ultra-tinggi, luas permukaan spesifik, dan kekuatan mekanik. Ini dapat menggantikan grafit sebagai bahan aktif elektroda negatif baterai lithium-ion atau sebagai bahan pengumpul arus.
1.6.2 Kolektor arus paduan memori bentuk nikel titanium
Paduan memori bentuk nikel titanium adalah paduan biner yang terdiri dari nikel dan titanium, yang dapat bertransformasi antara dua fase kristal berbeda dengan perubahan suhu atau tekanan eksternal. Paduan memori bentuk nikel titanium dapat menekan perubahan volume zat aktif selama pengisian dan pengosongan dengan mengubah keadaan fasenya sendiri, sehingga meningkatkan siklus hidup baterai.
1.6.3 Pengumpul arus aluminium foil berlapis karbon
Pengumpul arus berlapis karbon/aluminium foil mengacu pada pengumpul arus komposit di mana lapisan komposit yang mengandung karbon dilapisi pada permukaan aluminium foil. Diantaranya, lapisan yang mengandung karbon terdiri dari serat karbon dan partikel karbon hitam konduktif yang diolah dengan dispersan, yang dapat dikombinasikan erat dengan aluminium foil untuk meningkatkan konduktivitas dan ketahanan korosi pada elektroda.
Pengumpul arus adalah salah satu komponen yang sangat diperlukan dan penting dalam baterai lithium-ion, dengan berbagai fungsi membawa bahan aktif elektroda dan mengumpulkan arus keluaran. Kinerja pengumpul arus yang dibuat dari bahan dan proses produksi yang berbeda bervariasi, dan dampaknya terhadap baterai lithium-ion juga berbeda.