يعد المجمع الحالي أحد المكونات التي لا غنى عنها في بطاريات الليثيوم أيون. لا يمكنها حمل المادة النشطة فحسب، بل يمكنها أيضًا جمع وإخراج التيار الناتج عن المادة النشطة للقطب الكهربائي، مما يفضي إلى تقليل المقاومة الداخلية لبطاريات الليثيوم أيون، وتحسين كفاءة الكولوم، واستقرار الدورة، ومعدل أداء البطارية. بطارية.
بطارية ليثيوم أيون جامع التيار
من حيث المبدأ، يجب أن يستوفي مجمع تيار بطارية الليثيوم أيون المثالي الشروط التالية: (1) الموصلية العالية؛ (2) الاستقرار الكيميائي والكهروكيميائي الجيد؛ (3) قوة ميكانيكية عالية. (4) التوافق الجيد وقوة الربط مع المواد النشطة للقطب الكهربائي؛ (5) رخيصة الثمن وسهلة الحصول عليها؛ (6) خفيف الوزن.
ومع ذلك، في التطبيقات العملية، لا تزال مواد التجميع الحالية المختلفة تواجه مشاكل مختلفة، لذلك لا يمكنها تلبية المتطلبات المتعددة النطاق المذكورة أعلاه بشكل كامل. النحاس عرضة للأكسدة عند إمكانات أعلى ومناسب للاستخدام كمجمع تيار كهربائي سلبي؛ الألومنيوم، باعتباره مجمع تيار كهربائي سلبي، لديه مشكلة تآكل أكثر خطورة وهو مناسب للاستخدام كمجمع تيار كهربائي إيجابي. في الوقت الحاضر، تشمل المواد التي يمكن استخدامها كمجمعات تيار لبطاريات الليثيوم أيون مواد موصلة معدنية مثل النحاس والألومنيوم والنيكل والفولاذ المقاوم للصدأ، ومواد شبه موصلة مثل الكربون، والمواد المركبة.
1.1 جامع النحاس الحالي
يعد النحاس موصلًا معدنيًا ممتازًا يتمتع بالموصلية الثانية بعد الفضة، وله العديد من المزايا مثل الموارد الوفيرة والتكلفة المنخفضة وسهولة التوفر والليونة الجيدة. ومع ذلك، وبالنظر إلى أن النحاس عرضة للأكسدة عند إمكانات أعلى، فإنه غالبًا ما يستخدم كمجمع تيار للمواد النشطة ذات القطب السالب مثل الجرافيت والسيليكون والقصدير وسبائك قصدير الكوبالت. تشتمل مجمعات النحاس الشائعة على رقائق النحاس، والنحاس الرغوي، والشبكات النحاسية، ومجمع مصفوفة النحاس النانوي ثلاثي الأبعاد.
1.1.1 جامع تيار رقائق النحاس
وفقا لعملية إنتاج رقائق النحاس، يمكن تقسيمها إلى رقائق النحاس المدرفلة ورقائق النحاس كهربائيا. بالمقارنة مع رقائق النحاس الإلكتروليتية، فإن رقائق النحاس الملفوفة لديها موصلية أعلى وتأثير تمديد أفضل. يمكن لبطاريات الليثيوم أيون ذات المتطلبات المنخفضة للانحناء اختيار رقائق النحاس الإلكتروليتية كمجمع تيار القطب السالب. أظهرت الأبحاث أن زيادة خشونة سطح رقائق النحاس مفيد في تحسين قوة الترابط بين المجمع الحالي والمادة النشطة، مما يقلل من مقاومة التلامس بين المادة النشطة والمجمع الحالي، وبالتالي تحسين أداء ودورة معدل التفريغ استقرار البطارية.
1.1.2 جامع النحاس الرغوي
النحاس الرغوي هو نوع من مواد الشبكة ثلاثية الأبعاد المشابهة للإسفنج، والتي تتميز بالعديد من المزايا مثل الوزن الخفيف والقوة والمتانة العالية ومساحة السطح المحددة الكبيرة. على الرغم من أن المواد النشطة ذات القطب السالب من السيليكون والقصدير تتمتع بقدرة نظرية محددة عالية وتعتبر واحدة من المواد النشطة ذات القطب السالب الواعدة لبطاريات الليثيوم أيون، إلا أن لها أيضًا عيوبًا مثل التغيرات الكبيرة في الحجم والسحق أثناء الشحن / التفريغ الدوري، والتي تؤثر بشكل خطير على أداء البطارية. يظهر البحث أن مجمع النحاس الرغوي يمكن أن يمنع تغير حجم المواد النشطة من السيليكون وأنود القصدير أثناء عملية الشحن والتفريغ، ويبطئ ظاهرة السحق، وبالتالي تحسين أداء البطارية.
1.2 جامع الألمنيوم الحالي
على الرغم من أن موصلية معدن الألمنيوم أقل من موصلية النحاس، إلا أن جودة أسلاك الألمنيوم تقل فقط عن نصف جودة الأسلاك النحاسية عند نقل نفس الكمية من الكهرباء. مما لا شك فيه أن استخدام مجمعات تيار الألومنيوم يمكن أن يساعد في تحسين كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون. وبالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع النحاس، فإن الألومنيوم أرخص في السعر. أثناء عملية الشحن/التفريغ لبطاريات الليثيوم أيون، يتم تشكيل فيلم أكسيد كثيف على سطح مجمع تيار رقائق الألومنيوم، مما يحسن مقاومة التآكل لرقائق الألومنيوم وغالبًا ما يستخدم كمجمع تيار للقطب الموجب في بطاريات الليثيوم أيون.
كما هو الحال مع مجمعات تيار رقائق النحاس، يمكن للمعالجة السطحية أيضًا تحسين الخصائص السطحية لرقائق الألومنيوم. بعد النقش بالتيار المباشر، سيتشكل هيكل قرص العسل على سطح رقائق الألومنيوم، والذي يرتبط بشكل أكثر إحكامًا بالمادة النشطة للقطب الموجب ويحسن الأداء الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم أيون. ومع ذلك، في الواقع، غالبًا ما تعاني مجمعات تيار الألومنيوم من التآكل الشديد بسبب تدمير أفلام التخميل السطحية، مما يؤدي إلى انخفاض أداء بطاريات الليثيوم أيون. لذلك، من أجل تحسين مقاومة التآكل لرقائق الألومنيوم المحفورة، من الضروري تحسين سطحها وتشكيل فيلم تخميل أكثر استقرارًا.
1.3 جامع النيكل الحالي
نسبيًا، النيكل هو معدن أساسي ذو سعر منخفض نسبيًا، وموصلية جيدة، وثبات في المحاليل الحمضية والقلوية. لذلك، يمكن استخدام النيكل كمجمع لتيار القطب الموجب ومجمع تيار القطب السالب. هناك كلاً من المواد النشطة للقطب الموجب مثل فوسفات حديد الليثيوم والمواد النشطة للقطب السالب مثل أكسيد النيكل والكبريت والمواد المركبة من السيليكون الكربوني التي تتوافق معه.
عادة ما يتضمن شكل مجمع النيكل رغوة النيكل ورقائق النيكل. نظرًا لأن النيكل الرغوي لديه قنوات متطورة ومنطقة اتصال كبيرة مع المادة الفعالة، فإن مقاومة التلامس بين المادة الفعالة والمجمع تقل. عند استخدام رقائق النيكل كمجمع تيار كهربائي، مع زيادة عدد دورات الشحن/التفريغ، تكون المادة النشطة عرضة للانفصال، مما يؤثر على أداء البطارية. وبالمثل، فإن عملية المعالجة المسبقة للسطح قابلة للتطبيق أيضًا على مجمعات تيار رقائق النيكل. بعد حفر سطح مجمع تيار رقائق النيكل، يتم تعزيز قوة الترابط بين المادة الفعالة ومجمع التيار بشكل كبير.
يتمتع أكسيد النيكل بمزايا الهيكل المستقر والسعر المنخفض والقدرة النظرية العالية المحددة، مما يجعله مادة نشطة للقطب السالب تستخدم على نطاق واسع لبطاريات الليثيوم أيون. بناءً على ذلك، تم زراعة طبقة من أكسيد النيكل في الموقع على سطح النيكل الرغوي بطريقة أكسدة الطور الصلب، وتم تحضير أنود أكسيد النيكل مع النيكل الرغوي كمجمع. بالمقارنة مع القطب السالب من رقائق النيكل/أكسيد النيكل، فإن السعة المحددة للتفريغ الأول للقطب السالب من النيكل/أكسيد النيكل الرغوي زادت بشكل ملحوظ. والسبب هو أنه بالمقارنة مع مجمعات التيار ثنائية الأبعاد، فإن مجمعات التيار المنظمة ثلاثية الأبعاد تقلل من ظاهرة استقطاب الواجهة وتحسن استقرار دورة الشحن / التفريغ للبطاريات.
يعتبر فوسفات حديد الليثيوم مادة نشطة إيجابية مثالية لبطاريات الليثيوم أيون بسبب سلامتها الجيدة ومصدرها الواسع للمواد الخام. يمكن أن يؤدي طلاءه على سطح مجمع النيكل الرغوي إلى زيادة مساحة الاتصال بين LiFePO4 والنيكل الرغوي، وتقليل الكثافة الحالية لتفاعل الواجهة، وبالتالي تحسين أداء معدل تفريغ LiFePO4.
1.4 جامع التيار من الفولاذ المقاوم للصدأ
يشير الفولاذ المقاوم للصدأ إلى سبائك الفولاذ التي تحتوي على عناصر مثل النيكل والموليبدينوم والتيتانيوم والنيوبيوم والنحاس والحديد. إنه يتمتع بموصلية وثبات جيدين، ويمكنه مقاومة التآكل الكيميائي الناتج عن الوسائط المسببة للتآكل الضعيفة مثل الهواء والبخار والماء، بالإضافة إلى الوسائط المسببة للتآكل القوية مثل الأحماض والقلويات والملح. سطح الفولاذ المقاوم للصدأ عرضة أيضًا لتشكيل طبقة تخميل، والتي يمكن أن تحمي سطحه من التآكل. وفي الوقت نفسه، يمكن معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل أرق من النحاس، مع مزايا مثل التكلفة المنخفضة والعملية البسيطة والإنتاج على نطاق واسع. يمكن استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ كمجمع تيار إيجابي أو سلبي، وتشمل الأنواع الشائعة من مجمعات التيار المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للصدأ المسامي.
1.4.1 سائل تجميع شبكي من الفولاذ المقاوم للصدأ
نسيج شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ كثيف. عند استخدامه كمجمع تيار، يتم تغليف سطحه بمواد نشطة للقطب الكهربائي ولا يتلامس بشكل مباشر مع المنحل بالكهرباء، مما يجعله أقل عرضة للتفاعلات الجانبية وتحسين أداء دورة البطارية.
1.4.2 جامع تيار من الفولاذ المقاوم للصدأ مسامي
هناك طريقة بسيطة وفعالة للاستفادة الكاملة من المواد النشطة وتحسين قدرة التفريغ المحددة للأقطاب الكهربائية وهي استخدام مجمعات التيار المسامية.
1.5 جامع تيار الكربون
عند استخدام المواد الكربونية كمجمعات تيار كهربائي موجب أو سلبي، يمكن تجنب تآكل المنحل بالكهرباء على مجمعات التيار المعدنية، ولها مزايا الموارد الوفيرة، والمعالجة السهلة، والمقاومة المنخفضة، وعدم الإضرار بالبيئة، والسعر المنخفض.
يمكن استخدام قماش ألياف الكربون كمجمع تيار لبطاريات الليثيوم أيون المرنة نظرًا لمرونتها الممتازة وموصليتها واستقرارها الكهروكيميائي. تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية شكلاً آخر من أشكال مجمعات تيار الكربون، والتي تتمتع بمزايا واضحة مقارنة بمجمعات التيار المعدني من حيث الوزن الخفيف ويمكن أن تحسن بشكل كبير كثافة طاقة البطاريات.
1.6 المجمع الحالي المركب
بالإضافة إلى المجمعات الفردية مثل مجمعات النحاس، وجامعات الألومنيوم، وجامعات النيكل، وجامعات الفولاذ المقاوم للصدأ، وجامعات الكربون، فقد اجتذبت المجمعات المركبة أيضًا الاهتمام البحثي للعلماء في السنوات الأخيرة، مثل الراتنجات الموصلة، ورقائق الألومنيوم المطلية بالكربون، والتيتانيوم. سبائك النيكل ذات الذاكرة الشكلية.
1.6.1 جامع تيار راتينج موصل
تتكون المجمعات الحالية من البولي إيثيلين (PE) والراتنج الفينولي (PF) من حشوات موصلة ومصفوفة من راتينج البوليمر. تم تحضير مجمع تيار مركب عن طريق خلط PE وPF بشكل موحد كمواد أساس مع حشوات موصلة (الجرافيت، أسود الكربون)، وتمت دراسة خواصها الفيزيائية والكيميائية. الجرافين عبارة عن مادة كربونية وظيفية فريدة ومبتكرة ثنائية الأبعاد تتكون من تهجين sp2 لذرات الكربون. لديها العديد من المزايا مثل الموصلية العالية للغاية، ومساحة السطح المحددة، والقوة الميكانيكية. يمكن أن يحل محل الجرافيت كمادة نشطة للقطب السالب لبطاريات الليثيوم أيون أو كمواد تجميع تيار.
1.6.2 جامع تيار سبائك الذاكرة على شكل نيكل التيتانيوم
سبائك ذاكرة شكل النيكل والتيتانيوم عبارة عن سبيكة ثنائية تتكون من النيكل والتيتانيوم، والتي يمكن أن تتحول بين مرحلتين بلوريتين مختلفتين مع تغيرات في درجة الحرارة الخارجية أو الضغط. يمكن لسبائك الذاكرة ذات شكل النيكل والتيتانيوم أن تمنع تغير حجم المواد النشطة أثناء الشحن والتفريغ عن طريق تغيير حالة الطور الخاصة بها، وبالتالي تحسين عمر دورة البطاريات.
1.6.3 مجمع تيار رقائق الألومنيوم المطلي بالكربون
يشير مجمع التيار المطلي بالكربون / رقائق الألومنيوم إلى مجمع التيار المركب الذي يتم فيه طلاء طبقة مركبة تحتوي على الكربون على سطح رقائق الألومنيوم. من بينها، تتكون الطبقة المحتوية على الكربون من ألياف الكربون وجزيئات أسود الكربون الموصلة المعالجة بالمشتتات، والتي يمكن دمجها بإحكام مع رقائق الألومنيوم لتحسين التوصيل ومقاومة التآكل للقطب الكهربائي.
يعد المجمع الحالي أحد المكونات المهمة التي لا غنى عنها في بطاريات الليثيوم أيون، مع وظائف متعددة لحمل المواد النشطة للقطب الكهربائي وجمع تيار الإخراج. يختلف أداء المجمعات الحالية المحضرة من مواد وعمليات إنتاج مختلفة، كما يختلف تأثيرها على بطاريات الليثيوم أيون.