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集電体は、活物質を運ぶだけでなく、電極の活物質によって生成された電流を収集して出力する、リチウムイオン電池に不可欠な部品です。リチウムイオン電池の内部抵抗を低減し、クーロン効率、サイクル安定性、レート性能を向上させます。
リチウムイオン電池の集電体
理想的には、リチウムイオン電池の理想的な集電体は、いくつかの基準を満たす必要があります。(1) 高い電気伝導性、(2) 良好な化学的および電気化学的安定性、(3) 高い機械的強度、(4) 電極の活性物質との適合性と強力な結合、(5) 手頃な価格と入手性、(6) 軽量。
ただし、実際の用途では、さまざまな集電体材料にそれぞれ独自の問題があり、前述のマルチスケール要件をすべて満たすのは困難です。たとえば、銅は高電位で酸化されやすいため、負極の集電体に適しています。一方、アルミニウムは、負極の集電体として使用すると腐食の問題が発生するため、正極の集電体に適しています。現在、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、金属複合材、炭素、その他の半導体材料などの材料が、リチウムイオン電池の集電体として使用されています。
1.1 銅の集電体
銅は、銀に次ぐ高い電気伝導性を持つ優れた金属導体です。豊富な資源、手頃な価格、優れた延性などの利点があります。ただし、銅は高電位で酸化されやすいため、グラファイト、シリコン、スズ、コバルトスズ合金などの負極活物質の集電体としてよく使用されます。一般的な銅の集電体には、銅箔、発泡銅、銅メッシュ、3 次元ナノ構造銅アレイなどがあります。
1.1.1 銅箔集電体
銅箔は、製造工程に基づいて、さらに圧延銅箔と電解銅箔に分類できます。 電解銅箔と比較して、圧延銅箔は導電性が高く、伸びが優れているため、大きな曲げを必要としないリチウムイオン電池に適しています。 研究によると、銅箔の表面粗さを大きくすると、集電体と活物質間の接着強度が向上し、活物質と集電体間の接触抵抗が減少し、結果として電池の放電率性能とサイクル安定性が向上することがわかっています。
1.1.2 発泡銅集電体
発泡銅は、スポンジに似た3次元の多孔質材料で、軽量、高強度、大きな表面積が特徴です。 シリコンとスズは理論容量の高い有望な負極活物質ですが、サイクル中に体積が大きく変化し、粉砕されるため、電池の性能に重大な影響を及ぼします。研究によると、発泡銅集電体は体積変化を抑制し、シリコンとスズの負極活物質の粉砕を緩和し、それによって電池の性能を向上させることができます。
1.2 アルミニウム集電体
アルミニウムの電気伝導率は銅よりも低いですが、アルミニウム線は銅線の半分の質量で同じ量の電荷を輸送できます。したがって、アルミニウム集電体を使用すると、リチウムイオン電池のエネルギー密度を高めることができます。さらに、アルミニウムは銅に比べてコスト効率に優れています。リチウムイオン電池の充電/放電プロセス中に、アルミニウム箔集電体は表面に緻密な酸化膜を形成し、耐腐食性を高めます。その結果、アルミニウム箔はリチウムイオン電池の正極の集電体として一般的に使用されています。銅箔集電体と同様に、表面処理によりアルミニウム箔の表面特性を向上させることができます。直流エッチングにより、アルミニウム箔の表面にハニカム状の構造が形成され、正極の活物質との結合が強固になり、リチウムイオン電池の電気化学性能が向上します。しかし、実際には、アルミニウム集電体は表面不動態膜の破壊により激しい腐食に見舞われることが多く、その結果、リチウムイオン電池の性能が低下します。そのため、エッチングされたアルミニウム箔の表面処理を最適化して耐腐食性を高め、より安定した不動態膜を形成する必要があります。
電池用の集電装置にはいくつかの種類があり、選択できる
2.1 ニッケル集電体
ニッケルは比較的安価な金属で、導電性が高く、酸性およびアルカリ性溶液中で安定しています。そのため、ニッケルは正極集電体と負極集電体の両方として使用できます。リン酸鉄リチウム、酸化ニッケル、硫黄、炭素シリコン複合材料などの正極活物質は、ニッケル集電体と組み合わせることができます。
