负极集流体复合材料锂铜复合带制作方案

        锂离子电池是目前综合性能极佳的电池系统，由于比能量高、体积小、循环寿命高、无记忆效应、无污染等特点，已迅速发展成为新一代的储能电源，被用于电动汽车、混合动力汽车、航空航天等领域。

       传统负极材料主要是石油焦碳和石墨，但是随着人们对能量密度要求的不断提高，碳负极也暴露了诸多问题如：（1）克容量不足，难以满足动力电池的实际需求；（2）纯度较低，副反应较多；（3）层状结构稳定性较差，经过长时间充放电循环后易坍塌，导致比容量严重下降以及储能寿命大幅度缩短；（4）倍率性能较差，不能进行大电流充放电，否则会损害电池;（5）充放电平台过低。

      目前人们对电池能量密度要求越来越高，而锂离子电池负极材料中金属锂负极由于具有高的比容量（3860mAh/g）、最低的电化学势（-3.04V）、较小的密度（0.534g/cm3），因而是极具有前景的高能锂离子电池负极材料，更是新兴产业的优选。

1 锂离子电池工作原理

       锂电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正负极之间的往返嵌入和脱出来工作，实现能量的存储和释放。充电时，锂离子会在电场的驱动下从正极晶格中脱出，经电解质后嵌入到负极晶格中。放电过程与此相反，锂离子从负极返回正极，电子通过用电器由外电路到达正极与锂离子复合。电池放电，此时负极上的电子通过外部电路进入正极，锂离子 Li + 从负极进入到电解液里并到达正极，接受电子还原。

图：锂电池工作原理

2 锂电池负极铜基集流体

   拥有3860mAh/g理论容量的锂金属作是一种非常理想的锂电池负极材料。针对其循环过程中易形成死锂与枝晶锂而导致穿刺隔膜，以及锂嵌入/脱出时巨大的体积变化等问题，现已经有多种解决思路，其中多孔集流体作为嵌锂主体的方法成为了近年来主要解决方案。通过多孔集流体提供的超大比表面积，能有效地降低充放电时的电流密度，使得锂离子的沉积可以相对缓慢的进行，并且提供了更多的成核位点，由此缓解枝晶锂与死锂的形成以及脱嵌锂过程中的巨大的体积变化。

（1） 高比表面积使得电流密度有效降低， 在充放电过程中， 锂离子的形核位点增多， 沉积更加均匀， 可抑制枝晶锂的生长。

（2） 大量的孔洞为负极活性物质的体积变化提供了足够的缓冲空间，增强了集流体与活性物质如锂金属的结合力， 减少循环过程中锂的脱落而形成的死锂，从而减少不可逆容量的损失。

图：平面铜箔上锂沉积行为示意图

图：多孔铜箔上锂沉积行为示意图

       现在使用铜材料用作集流体的非常多，比较常见的一般是以下几种类型：1、连续铜箔集流体，2、铜丝编织型铜网集流体，3、泡沫铜集流体，4、三维纳米多孔铜集流体。这些多孔铜箔相比于商用连续铜箔，具有许多不可比拟的优势，它可以与活性材料形成更加充分的导电网络，应对活性材料的高膨胀率问题也具备有效价值，并能减少电池的总质量等

3、锂电池负极铜基集流体制作方案

       利用机械压力把多孔铜网集流体嵌入锂金属中，形成一个3D Cu/Li复合电极的结构，形成一个稳定的锂金属负极。

3.1工艺流程

      ①　锂带压延：将锂带压延至0.02--0.1mm，设计一组压延，压延时上辊用离型膜保护，防止粘附辊体。下辊牵引膜保护，一并收卷。

②　锂铜双面复合：把压延好的锂带与铜箔进行双面复合，除去牵引膜再进行收卷，根据需要可对复合好的成品单面复保护膜或双面复保护膜。

3.2质量要求

铜基锂电集流体复合带表面应平直,光亮，不应有油斑或其他杂物，不得有目视可见的氧化物及氮化物，不应有皱边、孔眼、裂缝、折痕、压线等缺陷，允许有轻微的加工条纹和辊印、边缘应整齐，无裂口。

3.3 生产设备结构

机架、放卷机组、压延机组、复合机组、收卷机组、电控系统；功能包含纠偏、张力控制、无料检测、静电消除、长度计米等