Coletor de corrente de eletrodo negativo de bateria de íon de lítio

Devido ao fato de que os quatro componentes principais que compõem as baterias de íons de lítio são o material do eletrodo positivo, o material do eletrodo negativo, o filme separador e o eletrólito. No entanto, além dos quatro componentes principais, o coletor de corrente usado para armazenar materiais de eletrodos positivos e negativos também é uma parte importante das baterias de lítio.

Para baterias de íon-de lítio, o coletor de corrente positiva comumente usado é a folha de alumínio, e o coletor de corrente negativo é a folha de cobre. Para garantir a estabilidade do coletor de corrente dentro da bateria, é necessário que a pureza de ambos esteja acima de 98%. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de baterias de lítio, sejam baterias de lítio usadas em produtos digitais ou baterias de veículos elétricos, esperamos que a densidade de energia das baterias seja a mais alta possível e que o peso das baterias esteja se tornando cada vez mais leve. Em termos de coletores de corrente, o mais importante é reduzir a espessura e o peso dos coletores de corrente, reduzindo intuitivamente o volume e o peso das baterias.

 

 

 

O coletor de corrente do eletrodo negativo é um substrato condutor que suporta o material ativo do ânodo (por exemplo, grafite, silício) em baterias de íons de lítio (LIBs). Suas funções principais incluem:

• Condução de elétrons: fornece caminhos-de baixa resistência para elétrons durante carga/descarga.
• Suporte mecânico: Mantém a integridade estrutural apesar das alterações no volume do ânodo (por exemplo, o silício expande ~300%).
• Estabilidade da interface: Minimiza reações colaterais com eletrólitos.

 

 

Como as baterias de lítio se desenvolveram rapidamente nos últimos anos, os coletores atuais também tiveram um rápido progresso. A folha de alumínio do eletrodo positivo tornou-se mais fina com o tempo: de 16 μm no passado para 14 μm, depois caiu para 12 μm. Hoje, muitos fabricantes de baterias já produzem e usam folha de alumínio de 10 μm, e alguns até usam 8 μm.

 

Para o eletrodo negativo, a folha de cobre é mais flexível, então sua espessura caiu de 12 μm para 10 μm e depois para 8 μm. Atualmente, muitos fabricantes de baterias usam folhas de 6 μm para produção em massa. Algumas empresas também estão desenvolvendo folhas de 5 μm ou até 4 μm, que poderão ser usadas no futuro.

 

Como o cobre e a folha de alumínio usados ​​nas baterias de lítio devem ser muito puros, a densidade do material é basicamente a mesma. À medida que a espessura diminui, a densidade superficial (peso por unidade de área) também cai. Como resultado, o peso total da bateria torna-se cada vez menor. Isso atende às nossas necessidades de baterias de lítio melhores e mais leves.

 

 

Para coletores de corrente, além da espessura e do peso, as propriedades da superfície também têm um impacto significativo na produção e no desempenho das baterias de lítio. Isto é especialmente verdadeiro para o coletor de corrente do eletrodo negativo. Devido às limitações nos processos de fabricação, as folhas de cobre atualmente disponíveis no mercado são principalmente de três tipos: rugosidade-única face, rugosidade-dupla face e lisa-dupla face. Essa estrutura assimétrica de dois- lados leva a uma resistência de contato desigual entre os revestimentos de eletrodos negativos nos dois lados. Como resultado, a capacidade negativa do eletrodo é liberada de forma desigual.

 

Ao mesmo tempo, a assimetria entre os dois lados também causa força de ligação inconsistente do revestimento do eletrodo negativo. Isto cria um sério desequilíbrio na vida útil do ciclo de carga e descarga dos revestimentos de cada lado, o que por sua vez acelera o declínio da capacidade da bateria.

 

 

O primeiro método de corrosão térmica eletroquímica do mundo foi empregado para preparar folhas de cobre microporosas. Essa folha de cobre microporosa apresenta de 4.000 a 15.000 furos passantes por centímetro quadrado, cada um com um diâmetro de 2 a 25 μm, além de 10 a 10.000 furos cegos com diâmetros variando de 10 a 50 μm. Além disso, as superfícies superior e inferior da folha são uniformemente cobertas com marcas de gravação com 1–3 μm de profundidade, 1–5 μm de largura e dezenas de micrômetros de comprimento. Estas características resolvem perfeitamente o problema de adesão entre a pasta do eletrodo negativo e a folha de cobre.

 

O tamanho específico dos poros e das marcas de corrosão resulta em uma maior rugosidade superficial da folha de cobre microporosa, livre de rebarbas ou bordas irregulares. Além disso, a transição entre os poros e a superfície da folha forma um arco irregular em vez de um ângulo reto de 90 graus, evitando efetivamente a formação de dendritos de lítio durante os ciclos de carga-descarga e prolongando a vida útil da bateria.

 

Além disso, a estrutura microporosa apresenta características morfológicas únicas. Os poros produzidos por corrosão eletroquímica têm formato irregular, com tamanhos de poros variando dentro de uma certa faixa. O diâmetro de cada poro também difere ao longo de diferentes eixos. Esta geometria irregular dos poros aumenta ainda mais a resistência da ligação entre a folha de cobre e a pasta do eletrodo negativo.

 

 

Índice de microporos		Estrutura de distribuição microporosa	Diminuição da densidade de área (%)	Propriedades
Densidade de microporos Por CM2	Diâmetro do microporo μm			Resistência à tracção N/mm2	Diminuir (%)	Alongamento (%)	Redução (%)	resistividade μΩ.cm	Aumentar (%)
4000-5999	2-25	Superfície completa	0.01-2.94	Maior ou igual a 220	Menor ou igual a 25	Maior ou igual a 1,3	Menor ou igual a 58	Menor ou igual a 2,20	Menor ou igual a 8
6000-7999			0.02-3.92	Maior ou igual a 210	Menor ou igual a 28	Maior ou igual a 1,15	Menor ou igual a 63
8000-9999			0.03-4.91	Maior ou igual a 200	Menor ou igual a 32	Maior ou igual a 1,05	Menor ou igual a 66
10000-12499	2-20		0.03-3.92	Maior ou igual a 190	Menor ou igual a 35	Maior ou igual a 1,10	Menor ou igual a 65
12500-15000	2-15		0.04-2.65	Maior ou igual a 180	Menor ou igual a 39	Maior ou igual a 1,00	Menor ou igual a 68

 

 

1. Folha de cobre (escolha dominante)

Vantagens:

Maior condutividade (5,96×10⁷ S/m) para transferência de carga eficiente.

Ductilidade: Suporta a expansão do eletrodo sem rachar.

Estabilidade eletroquímica em potenciais baixos (0–1 V vs. Li⁺/Li).

Desafios:

Pesado (densidade de ~8,96 g/cm³) limita os ganhos de densidade de energia.

Propenso à corrosão em ambientes úmidos.

2. Folha de cobre-revestida com carbono (emergente)

Propriedades aprimoradas:

Resistência interfacial reduzida (em 20–30%) através da camada de carbono.

Melhor adesão para compósitos de silício/grafite.

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

3. Materiais Alternativos (Etapa de P&D)

• Coletor de estrutura-tridimensional: pesquisadores desenvolveram estruturas de rede 3D, como nanofios de cobre e espuma de cobre. Essas estruturas podem impedir o crescimento de dendritos de lítio, o que melhora a segurança e a vida útil da bateria. Eles são especialmente adequados para ânodos de metal de lítio.
• Folha de cobre composta: Este tipo utiliza materiais poliméricos para substituir parte da camada metálica. Se a bateria for perfurada, não produzirá rebarbas. O polímero também pode atuar como um disjuntor para impedir a fuga térmica.
• Adaptação ao eletrodo negativo-baseado em silício: novos coletores de corrente porosos podem reduzir o problema de expansão de volume de materiais-baseados em silício durante a carga e a descarga. Isso ajuda a aumentar a densidade de energia da bateria.

 

 

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• Melhora a adesão entre o material do ânodo e a folha de cobre.
• Tem impacto mínimo na geração de gás da bateria.
• A resistência à tração da folha de cobre microporosa permanece comparável à da folha de cobre original.
• A resistividade da folha de cobre microporosa aumenta menos de 8%.
• Melhora ligeiramente a capacidade das baterias de-íon de lítio.
• Melhora significativamente a consistência do desempenho da bateria e aumenta o rendimento da produção.
• Facilita-altas taxas de carga e descarga.
• Reduz a proporção de folha de cobre na massa total da bateria.
• Melhora a molhabilidade da pasta e do eletrólito na folha de cobre.
• Reduz a resistência de contato entre o material do cátodo e a folha de alumínio.
• Prolonga a vida útil da bateria.

 

 

A folha de cobre eletrodepositada tradicional (ED-Cu) está passando por uma profunda evolução tecnológica:

Ultra{0}}afinamento

• Tendência: Das primeiras folhas de 12 μm e 10 μm, o mainstream mudou para 6–8 μm. Produtos-de última geração agora usam 4,5 μm, e o desenvolvimento está avançando para 3 μm, 2 μm e folhas ainda mais finas.
• Driver: A folha mais fina reduz o peso e libera espaço, aumentando diretamente a densidade de energia da bateria (especialmente a densidade de energia gravimétrica).
• Desafio: Coloca exigências extremas na resistência à tração, no alongamento, no controle da rugosidade da superfície e no rendimento da produção da folha.

 

Alto desempenho

• Folha de cobre de alta resistência-à tração-: atende aos requisitos de resistência de folhas de eletrodo para processos de empilhamento e baterias de alta-energia-densidade.
• Folha de cobre de perfil-baixo (LP) e muito{1}}de perfil-muito baixo (VLP): superfícies mais lisas melhoram o contato com o material ativo, melhoram a uniformidade da deposição de íons-de lítio e melhoram o desempenho de carregamento-rápido e a vida útil do ciclo.
• Folha de cobre composta (ou folha de cobre "sanduíche", folha de cobre PET)
• Estrutura: Uma camada de suporte de polímero (PET/PP/PI, ~4–6 μm de espessura) revestida em ambos os lados com uma camada de cobre metálico ultra-fina (~1 μm).

 

 

 

 

A folha de cobre laminada com têmpera suave usada como condutor em roupas para pesquisas de tratamento de câncer de nosso cliente na Indonésia.

 

Nossas folhas de cobre com blindagem ED com alto alongamento e alta resistência à tração podem ser usadas em muitas áreas. Podemos fornecer cobre ED simples-fosco, duplo-fosco e duplo{3}}brilhante específico para a bateria de íon-lítio. E também podemos oferecer folhas de cobre ED blindadas de 2 onças a 6 onças (espessura nominal de 70um a 210um) usadas para blindagem de produtos elétricos, especialmente como transformadores, cabos, telefones celulares, computadores, tratamento mecânico, aeroespacial e aplicações industriais. Além disso, HTE (alongamento de alta temperatura) de folha de cobre de 1/2 onça a 2 onças de espessura e VLP-HTE-HF (perfil muito-baixo-, alongamento de alta temperatura e folhas de cobre ED pesadas, usadas em PCB, cuja dimensão máxima é 1295 mm x 2450 mm. Abaixo estão as fotos de feedback do cliente dos EUA para o cobre de blindagem Folhas usadas na sala de ressonância magnética

 

O desenvolvimento de coletores de corrente anódicos avançados, como folhas de cobre microporosas, melhorou significativamente o desempenho e a confiabilidade das baterias de-íon de lítio. Os principais benefícios incluem:

• Adesão aprimorada – A estrutura microporosa aumenta a resistência de ligação entre o material do ânodo (por exemplo, grafite ou silício) e a folha de cobre, evitando a delaminação durante o ciclo.
• Dendritos de lítio suprimidos – A geometria irregular dos poros e a superfície gravada eliminam arestas vivas, reduzindo a formação de dendritos e melhorando a segurança.
• Umectação aprimorada do eletrólito – A estrutura porosa facilita uma melhor penetração do eletrólito, garantindo transporte uniforme de íons e cinética de reação.
• Capacidade-de alta taxa: a condutividade otimizada e as propriedades interfaciais permitem carregamento e descarregamento mais rápidos sem acúmulo significativo de resistência.
• Estabilidade Mecânica – A resistência à tração permanece comparável à da folha convencional, garantindo a integridade estrutural sob tensão.
• Ciclo de vida prolongado – O crescimento reduzido de dendritos e a estabilidade aprimorada da interface contribuem para uma vida útil mais longa da bateria.
• Vantagem leve – O teor reduzido de cobre reduz o peso geral da bateria, mantendo o desempenho.

 

Essas inovações abordam desafios críticos em baterias de alta-densidade-de energia, tornando os coletores de corrente microporosos uma solução promissora para baterias de íon-de lítio de-próxima geração, especialmente para veículos elétricos e aplicações de alta-potência.

 

 

Q1: Qual é o coletor de corrente do eletrodo negativo em uma bateria de íon-de lítio?

R:É a folha metálica (quase sempre cobre) que coleta elétrons do material ativo do ânodo e os envia para o circuito externo. Também fornece suporte físico para o revestimento do ânodo.

 

Q2: Por que o cobre é usado no eletrodo negativo em vez de alumínio?

R: Porque o eletrodo negativo opera em uma tensão muito baixa (cerca de 0,1 V vs. Li/Li⁺). O cobre é estável nesta tensão. O alumínio reagiria com o lítio para formar uma liga frágil (LiAl), causando a quebra da folha.

 

Q3: Qual é a espessura da folha de cobre do eletrodo negativo?

R: A espessura principal é de 6 μm (micrômetros). Para efeito de comparação, um fio de cabelo humano tem cerca de 70 μm de espessura. Algumas baterias avançadas usam folha de 4,5 μm ou até 3 μm.

 

Q4: Como é feita a folha de cobre do eletrodo negativo?

R: A maior parte é feita poreletrodeposição. O cobre é banhado a partir de uma solução de sulfato de cobre em um tambor rotativo de titânio. A folha é então removida, tratada e cortada na largura. Este método é denominado folha de cobre eletrolítico (folha ED) e representa mais de 90% do mercado.

 

Q5: Qual é a diferença entre o lado brilhante e o lado fosco?

R: Durante a produção, um lado da folha toca o tambor de titânio – esse lado fica liso (lado brilhante). O outro lado cresce livremente e fica áspero (lado fosco). O lado áspero é intencionalmente feito para ter uma certa rugosidade para que a pasta anódica adira bem.

 

Q6: O que é "folha de cobre composta"?

R:É um novo tipo onde um núcleo de plástico fino (como PET ou PP) é imprensado entre duas camadas de cobre muito finas (cerca de 1 μm cada). É mais leve e seguro – se a bateria for perfurada, o plástico derrete e interrompe o circuito, evitando fuga térmica. No entanto, ainda está sendo desenvolvido para produção em massa.

 

P7: As baterias-de estado sólido ainda precisam de um coletor de corrente de eletrodo negativo de cobre?

R:A maioria dos projetos de-baterias de estado sólido ainda usa um coletor de corrente de cobre para o eletrodo negativo. No entanto, a superfície do cobre pode necessitar de um revestimento especial (como níquel) para funcionar bem com o eletrólito sólido.

 

Q8: Qual é a tendência futura para coletores de corrente de eletrodo negativo?

R: Veja a tendência para coletores de corrente de eletrodo negativo conforme abaixo:

• Folhas mais finas: passando de 6 μm para 4,5 μm e até 3 μm
• Folhas compostas de cobre: ​​mais leves e seguras, com expectativa de crescimento rápido
• Estruturas tridimensionais: Espuma de cobre ou redes de nanofios para trabalhar com ânodos de metal de lítio e suprimir dendritos

 

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