Stromkollektor mit negativer Elektrode für Lithium-Ionen-Batterien

Aufgrund der Tatsache, dass die vier Hauptkomponenten, aus denen Lithium-Ionen-Batterien bestehen, positives Elektrodenmaterial, negatives Elektrodenmaterial, Separatorfilm und Elektrolyt sind. Zusätzlich zu den vier Hauptkomponenten ist jedoch auch der Stromkollektor, der zur Speicherung positiver und negativer Elektrodenmaterialien verwendet wird, ein wichtiger Bestandteil von Lithiumbatterien.

Bei Lithium-Ionen-Batterien besteht der üblicherweise verwendete positive Stromkollektor aus Aluminiumfolie und der negative Stromkollektor aus Kupferfolie. Um die Stabilität des Stromkollektors innerhalb der Batterie zu gewährleisten, muss die Reinheit beider über 98 % liegen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Lithiumbatterietechnologie, sei es in digitalen Produkten oder in Elektrofahrzeugbatterien, hoffen wir, dass die Energiedichte der Batterien so hoch wie möglich ist und das Gewicht der Batterien immer geringer wird. Bei den Stromabnehmern geht es vor allem darum, die Dicke und das Gewicht der Stromabnehmer zu reduzieren und so intuitiv das Volumen und das Gewicht der Batterien zu reduzieren.

Der Stromkollektor der negativen Elektrode ist ein leitfähiges Substrat, das das aktive Anodenmaterial (z. B. Graphit, Silizium) in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) trägt. Zu seinen Hauptaufgaben gehören:

• Elektronenleitung: Bietet nieder{0}Widerstandspfade für Elektronen während des Ladens/Entladens.
• Mechanische Unterstützung: Behält die strukturelle Integrität trotz Änderungen des Anodenvolumens bei (z. B. dehnt sich Silizium um ca. 300 % aus).
• Grenzflächenstabilität: Minimiert Nebenreaktionen mit Elektrolyten.

Da sich Lithiumbatterien in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt haben, haben auch Stromabnehmer schnelle Fortschritte gemacht. Die Aluminiumfolie der positiven Elektrode ist im Laufe der Zeit dünner geworden: von früher 16 μm auf 14 μm und dann auf 12 μm. Viele Batteriehersteller produzieren und verwenden heute bereits 10 μm Aluminiumfolie, einige sogar 8 μm.

Für die negative Elektrode ist Kupferfolie flexibler, sodass ihre Dicke von 12 μm auf 10 μm und dann auf 8 μm gesunken ist. Derzeit verwenden viele Batteriehersteller 6-μm-Folie für die Massenproduktion. Einige Unternehmen entwickeln auch 5-μm- oder sogar 4-μm-Folien, die möglicherweise in Zukunft verwendet werden.

Da die in Lithiumbatterien verwendeten Kupfer- und Aluminiumfolien sehr rein sein müssen, ist die Dichte des Materials grundsätzlich gleich. Mit abnehmender Dicke sinkt auch die Oberflächendichte (Gewicht pro Flächeneinheit). Dadurch wird das Gesamtgewicht der Batterie immer kleiner. Dies entspricht unserem Bedarf an leichteren und besseren Lithiumbatterien.

Bei Stromkollektoren haben neben Dicke und Gewicht auch die Oberflächenbeschaffenheit einen erheblichen Einfluss auf die Produktion und Leistung von Lithiumbatterien. Dies gilt insbesondere für den Stromkollektor der negativen Elektrode. Aufgrund von Einschränkungen bei den Herstellungsprozessen gibt es derzeit hauptsächlich drei Arten von Kupferfolien auf dem Markt: einseitig-aufgeraut, doppelseitig-aufgeraut und doppelseitig-glatt. Diese asymmetrische zweiseitige Struktur führt zu einem ungleichmäßigen Kontaktwiderstand zwischen den negativen Elektrodenbeschichtungen auf den beiden Seiten. Dadurch wird die Kapazität der negativen Elektrode ungleichmäßig freigesetzt.

Gleichzeitig führt die Asymmetrie zwischen den beiden Seiten auch zu einer inkonsistenten Haftfestigkeit der negativen Elektrodenbeschichtung. Dies führt zu einem gravierenden Ungleichgewicht in der Lade-Entlade-Zykluslebensdauer der Beschichtungen auf beiden Seiten, was wiederum den Rückgang der Batteriekapazität beschleunigt.

Zur Herstellung mikroporöser Kupferfolie wurde das weltweit erste elektrochemische thermische Korrosionsverfahren eingesetzt. Diese mikroporöse Kupferfolie verfügt über 4.000–15.000 Durchgangslöcher pro Quadratzentimeter, jedes mit einem Durchmesser von 2–25 μm, sowie 10–10.000 Sacklöcher mit Durchmessern von 10–50 μm. Darüber hinaus sind die Ober- und Unterseite der Folie gleichmäßig mit Ätzspuren bedeckt, die 1–3 μm tief, 1–5 μm breit und mehrere zehn Mikrometer lang sind. Diese Eigenschaften lösen perfekt das Haftungsproblem zwischen der negativen Elektrodenaufschlämmung und der Kupferfolie.

Die spezifische Größe der Poren und Ätzspuren führt zu einer höheren Oberflächenrauheit der mikroporösen Kupferfolie, frei von Graten oder gezackten Kanten. Darüber hinaus bildet der Übergang zwischen den Poren und der Folienoberfläche einen unregelmäßigen Bogen statt eines rechten 90-Grad-Winkels, wodurch die Bildung von Lithiumdendriten während Lade- und Entladezyklen effektiv verhindert und die Lebensdauer der Batterie verlängert wird.

Darüber hinaus weist die mikroporöse Struktur einzigartige morphologische Merkmale auf. Die durch elektrochemische Korrosion erzeugten Poren sind unregelmäßig geformt, wobei die Porengröße innerhalb eines bestimmten Bereichs variiert. Auch der Durchmesser jeder Pore unterscheidet sich entlang verschiedener Achsen. Diese unregelmäßige Porengeometrie verbessert die Bindungsstärke zwischen der Kupferfolie und der negativen Elektrodenaufschlämmung weiter.

1. Kupferfolie (dominante Wahl)

Vorteile:

Höchste Leitfähigkeit (5,96×10⁷ S/m) für effiziente Ladungsübertragung.

Duktilität: Widersteht der Elektrodenausdehnung ohne Rissbildung.

Elektrochemische Stabilität bei niedrigen Potentialen (0–1 V vs. Li⁺/Li).

Herausforderungen:

Schwer (~8,96 g/cm³ Dichte) begrenzt den Anstieg der Energiedichte.

In feuchten Umgebungen korrosionsanfällig.

2. Kohlenstoff-beschichtete Kupferfolie (aufstrebend)

Erweiterte Eigenschaften:

Reduzierter Grenzflächenwiderstand (um 20–30 %) durch Kohlenstoffschicht.

Verbesserte Haftung für Silizium/Graphit-Verbundwerkstoffe.

Applications: High-energy-density batteries (e.g., EVs, >350 Wh/kg).

3. Alternative Materialien (F&E-Phase)

• Dreidimensionaler Strukturkollektor: Forscher haben 3D-Netzwerkstrukturen wie Kupfer-Nanodrähte und Schaumkupfer entwickelt. Diese Strukturen können das Wachstum von Lithiumdendriten verhindern, was die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie verbessert. Sie eignen sich besonders für Lithium-Metallanoden.
• Verbundkupferfolie: Bei diesem Typ werden Polymermaterialien verwendet, um einen Teil der Metallschicht zu ersetzen. Wenn die Batterie durchstochen wird, entstehen keine Grate. Das Polymer kann auch als Schutzschalter fungieren, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern.
• Anpassung an eine siliziumbasierte negative Elektrode: Neue poröse Stromkollektoren können das Volumenausdehnungsproblem von siliziumbasierten Materialien während des Ladens und Entladens reduzieren. Dies trägt dazu bei, die Energiedichte der Batterie zu erhöhen.

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• Verbessert die Haftung zwischen dem Anodenmaterial und der Kupferfolie.
• Hat nur minimale Auswirkungen auf die Batteriegaserzeugung.
• Die Zugfestigkeit der mikroporösen Kupferfolie bleibt vergleichbar mit der der ursprünglichen Kupferfolie.
• Der spezifische Widerstand der mikroporösen Kupferfolie erhöht sich um weniger als 8 %.
• Verbessert leicht die Kapazität von Lithium--Ionen-Batterien.
• Verbessert die Konstanz der Batterieleistung erheblich und erhöht die Produktionsausbeute.
• Ermöglicht schnelles Laden und Entladen.
• Reduziert den Anteil der Kupferfolie an der gesamten Batteriemasse.
• Verbessert die Benetzbarkeit der Aufschlämmung und des Elektrolyten auf der Kupferfolie.
• Reduziert den Kontaktwiderstand zwischen dem Kathodenmaterial und der Aluminiumfolie.
• Verlängert die Lebensdauer der Batterie.

Herkömmliche elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolie (ED-Cu) durchläuft derzeit eine tiefgreifende technologische Weiterentwicklung:

Ultra-Verdünnung

• Trend: Von den frühen 12-μm- und 10-μm-Folien hat sich der Mainstream auf 6–8 μm verlagert. High-End-Produkte verwenden jetzt 4,5 μm, und die Entwicklung geht in Richtung 3 μm, 2 μm und noch dünnere Folien.
• Treiber: Eine dünnere Folie reduziert das Gewicht und schafft Platz, wodurch sich die Energiedichte der Batterie (insbesondere die gravimetrische Energiedichte) direkt erhöht.
• Herausforderung: Stellt extreme Anforderungen an die Zugfestigkeit, Dehnung, Kontrolle der Oberflächenrauheit und Produktionsausbeute der Folie.

Hohe Leistung

• Hoch-zugfeste-Kupferfolie: Erfüllt die Festigkeitsanforderungen von Elektrodenfolien für Stapelprozesse und Batterien mit hoher-Energie-dichte.
• Kupferfolie mit niedrigem-Profil (LP) und sehr niedrigem-Profil (VLP): Glattere Oberflächen verbessern den Kontakt mit dem aktiven Material, verbessern die Gleichmäßigkeit der Lithium-Ionen-Abscheidung und verbessern die Schnellladeleistung und die Lebensdauer.
• Verbundkupferfolie (oder „Sandwich“-Kupferfolie, PET-Kupferfolie)
• Struktur: Eine Polymerträgerschicht (PET/PP/PI, ca. 4–6 μm dick), beidseitig beschichtet mit einer ultradünnen metallischen Kupferschicht (ca. 1 μm).

Die gewalzte Kupferfolie mit weichem Härtegrad wird von unserem indonesischen Kunden als Leiter in der Bekleidung für die Krebsbehandlungsforschung verwendet.

Unsere ED-abschirmenden Kupferfolien mit hoher Dehnung und hoher Zugfestigkeit können in vielen Bereichen eingesetzt werden. Wir können das spezielle einfach-matte, doppelt-matte und doppelt-glänzende ED-Kupfer für den Li-Ionen-Akku liefern. Außerdem können wir abgeschirmte ED-Kupferfolien von 2 Unzen bis 6 Unzen (Nenndicke 70 µm bis 210 µm) anbieten, die zur Abschirmung elektrischer Produkte verwendet werden, insbesondere für Transformatoren, Kabel, Mobiltelefone, Computer, mechanische Behandlung, Luft- und Raumfahrt und Industrieanwendungen. Darüber hinaus gibt es HTE (Hochtemperaturdehnung) von 1/2 Unzen bis 2 Unzen dicken Kupferfolien und VLP-HTE-HF (sehr-niedriges-Profil, Hochtemperaturdehnung und schwere ED-Kupferfolien, die in Leiterplatten verwendet werden, deren maximale Abmessung 1295 mm x 2.450 mm beträgt. Nachfolgend finden Sie die Feedback-Bilder von US-Kunden für die verwendeten abschirmenden Kupferfolien MRT-Raum

Die Entwicklung fortschrittlicher Anodenstromkollektoren, wie beispielsweise mikroporöser Kupferfolie, hat die Leistung und Zuverlässigkeit von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessert. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Verbesserte Haftung – Die mikroporöse Struktur erhöht die Bindungsstärke zwischen dem Anodenmaterial (z. B. Graphit oder Silizium) und der Kupferfolie und verhindert so eine Delaminierung während des Zyklus.
• Unterdrückte Lithiumdendriten – Die unregelmäßige Porengeometrie und die geätzte Oberfläche verhindern scharfe Kanten, reduzieren die Dendritenbildung und verbessern die Sicherheit.
• Verbesserte Elektrolytbenetzung – Die poröse Struktur ermöglicht eine bessere Elektrolytdurchdringung und sorgt so für einen gleichmäßigen Ionentransport und eine gleichmäßige Reaktionskinetik.
• Hohe-Ratenfähigkeit – Die optimierten Leitfähigkeits- und Grenzflächeneigenschaften ermöglichen ein schnelleres Laden und Entladen ohne nennenswerten Widerstandsaufbau.
• Mechanische Stabilität – Die Zugfestigkeit bleibt vergleichbar mit herkömmlicher Folie und gewährleistet die strukturelle Integrität unter Belastung.
• Verlängerte Lebensdauer – Reduziertes Dendritenwachstum und verbesserte Schnittstellenstabilität tragen zu einer längeren Batterielebensdauer bei.
• Leichtgewichtiger Vorteil – Der reduzierte Kupfergehalt verringert das Gesamtgewicht der Batterie bei gleichbleibender Leistung.

Diese Innovationen adressieren kritische Herausforderungen bei Batterien mit hoher -Energie- und machen mikroporöse Stromkollektoren zu einer vielversprechenden Lösung für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten-Generation-, insbesondere für Elektrofahrzeuge und Hochleistungsanwendungen.

F1: Was ist der negative Elektrodenstromkollektor in einer Lithium---Ionenbatterie?

A: Es ist die Metallfolie (fast immer Kupfer), die Elektronen aus dem aktiven Anodenmaterial sammelt und sie an den externen Stromkreis sendet. Es bietet auch eine physikalische Unterstützung für die Anodenbeschichtung.

F2: Warum wird für die negative Elektrode Kupfer anstelle von Aluminium verwendet?

A: Weil die negative Elektrode mit einer sehr niedrigen Spannung arbeitet (ca. 0,1 V vs. Li/Li⁺). Kupfer ist bei dieser Spannung stabil. Aluminium würde mit Lithium zu einer spröden Legierung (LiAl) reagieren, was zum Auseinanderbrechen der Folie führen würde.

F3: Wie dick ist die Kupferfolie für die negative Elektrode?

A: Die Hauptstromdicke beträgt 6 μm (Mikrometer). Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 70 μm dick. Einige fortschrittliche Batterien verwenden 4,5 μm oder sogar 3 μm dicke Folie.

F4: Wie wird eine Kupferfolie für die negative Elektrode hergestellt?

A: Das meiste wird von hergestelltElektroabscheidung. Kupfer wird aus einer Kupfersulfatlösung auf eine rotierende Titantrommel plattiert. Anschließend wird die Folie abgezogen, behandelt und auf Breite geschnitten. Dieses Verfahren wird als elektrolytische Kupferfolie (ED-Folie) bezeichnet und macht über 90 % des Marktes aus.

F5: Was ist der Unterschied zwischen der glänzenden und der matten Seite?

A: Während der Produktion berührt eine Seite der Folie die Titantrommel – diese Seite wird glatt (glänzende Seite). Die andere Seite wächst frei und wird rau (matte Seite). Die raue Seite ist bewusst mit einer gewissen Rauheit versehen, damit die Anodenaufschlämmung gut haftet.

F6: Was ist „Verbundkupferfolie“?

A: Es handelt sich um einen neuen Typ, bei dem ein dünner Kunststoffkern (wie PET oder PP) zwischen zwei sehr dünnen Kupferschichten (jeweils etwa 1 μm) eingebettet ist. Es ist leichter und sicherer – wenn die Batterie beschädigt wird, schmilzt der Kunststoff und unterbricht den Stromkreis, wodurch ein thermisches Durchgehen verhindert wird. Allerdings befindet es sich noch in der Entwicklung zur Massenproduktion.

F7: Benötigen Festkörperbatterien weiterhin einen Stromkollektor mit negativer Kupferelektrode?

A: Die meisten Festkörperbatteriedesigns verwenden immer noch einen Kupferstromkollektor für die negative Elektrode. Allerdings benötigt die Kupferoberfläche möglicherweise eine spezielle Beschichtung (z. B. Nickel), um gut mit dem Festelektrolyten zusammenzuarbeiten.

F8: Was ist der zukünftige Trend bei Stromkollektoren mit negativer Elektrode?

A: Sehen Sie sich den Trend für Stromkollektoren mit negativer Elektrode wie folgt an:

• Dünnere Folien: Übergang von 6 μm auf 4,5 μm und sogar 3 μm
• Verbundkupferfolien: Leichter und sicherer, schnelles Wachstum erwartet
• Dreidimensionale Strukturen: Kupferschaum- oder Nanodrahtnetzwerke zur Zusammenarbeit mit Lithiummetallanoden und zur Unterdrückung von Dendriten

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