ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ไม่เพียงแต่สามารถพกพาวัสดุออกฤทธิ์ได้เท่านั้น แต่ยังรวบรวมและส่งออกกระแสที่สร้างโดยวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรด ซึ่งเอื้อต่อการลดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ปรับปรุงประสิทธิภาพคูลอมบิก ความเสถียรของวงจร และอัตราประสิทธิภาพของ แบตเตอรี่.
ตัวสะสมกระแสแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
โดยหลักการแล้ว ตัวสะสมกระแสแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในอุดมคติควรตรงตามเงื่อนไขต่อไปนี้: (1) ค่าการนำไฟฟ้าสูง; (2) เสถียรภาพทางเคมีและเคมีไฟฟ้าที่ดี (3) ความแข็งแรงเชิงกลสูง (4) ความเข้ากันได้ดีและความแข็งแรงในการยึดเกาะกับวัสดุที่ใช้งานอิเล็กโทรด (5) ราคาถูกและได้มาง่าย (6) น้ำหนักเบา
อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง วัสดุตัวรวบรวมที่แตกต่างกันในปัจจุบันยังคงมีปัญหาหลายประการ ดังนั้นจึงไม่สามารถปฏิบัติตามข้อกำหนดหลายขนาดที่กล่าวถึงข้างต้นได้อย่างเต็มที่ ทองแดงมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันที่มีศักยภาพสูงกว่า และเหมาะสำหรับใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของขั้วลบ อลูมิเนียมในฐานะตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของอิเล็กโทรดเชิงลบ มีปัญหาการกัดกร่อนที่รุนแรงกว่า และเหมาะสำหรับใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของอิเล็กโทรดบวก ในปัจจุบัน วัสดุที่สามารถใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ วัสดุตัวนำโลหะ เช่น ทองแดง อลูมิเนียม นิกเกิล และสแตนเลส วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น คาร์บอน และวัสดุคอมโพสิต
1.1 ตัวสะสมกระแสทองแดง
ทองแดงเป็นตัวนำโลหะที่ดีเยี่ยม โดยมีค่าการนำไฟฟ้ารองจากเงินเท่านั้น และมีข้อดีหลายประการ เช่น มีทรัพยากรมากมาย ต้นทุนต่ำและหาได้ง่าย และความเหนียวที่ดี อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาว่าทองแดงมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันที่มีศักยภาพสูงกว่า จึงมักใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าสำหรับวัสดุที่มีฤทธิ์เป็นขั้วลบ เช่น กราไฟต์ ซิลิคอน ดีบุก และโลหะผสมดีบุกโคบอลต์ ตัวสะสมทองแดงทั่วไปประกอบด้วยทองแดงฟอยล์ ทองแดงโฟม ตาข่ายทองแดง และตัวสะสมอาร์เรย์ทองแดงนาโนสามมิติ
1.1.1 ตัวสะสมกระแสฟอยล์ทองแดง
ตามกระบวนการผลิตฟอยล์ทองแดง มันสามารถแบ่งออกเป็นฟอยล์ทองแดงรีดและฟอยล์ทองแดงด้วยไฟฟ้า เมื่อเทียบกับฟอยล์ทองแดงด้วยไฟฟ้า ฟอยล์ทองแดงแบบรีดมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าและให้ผลการขยายที่ดีกว่า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความต้องการความโค้งต่ำสามารถเลือกฟอยล์ทองแดงด้วยไฟฟ้าเป็นตัวสะสมกระแสอิเล็กโทรดลบ การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มความหยาบของพื้นผิวฟอยล์ทองแดงมีประโยชน์ในการปรับปรุงความแข็งแรงการยึดเกาะระหว่างตัวสะสมกระแสไฟและวัสดุออกฤทธิ์ ลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างวัสดุออกฤทธิ์และตัวสะสมกระแสไฟ และปรับปรุงประสิทธิภาพและวงจรการปล่อยอัตราการสอดคล้องกัน ความเสถียรของแบตเตอรี่
1.1.2 ตัวสะสมทองแดงโฟม
โฟมทองแดงเป็นวัสดุโครงข่ายสามมิติชนิดหนึ่งที่คล้ายกับฟองน้ำ ซึ่งมีข้อดีหลายประการ เช่น น้ำหนักเบา มีความแข็งแรงและความเหนียวสูง และพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ แม้ว่าวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดเชิงลบของซิลิคอนและดีบุกจะมีความจุเฉพาะทางทฤษฎีสูงและถือว่าเป็นหนึ่งในวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดเชิงลบที่มีแนวโน้มสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ก็มีข้อเสีย เช่น การเปลี่ยนแปลงในปริมาณมากและการบดละเอียดระหว่างการชาร์จ/คายประจุแบบวน ซึ่ง ส่งผลร้ายแรงต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ การวิจัยแสดงให้เห็นว่าตัวสะสมทองแดงโฟมสามารถยับยั้งการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของวัสดุที่ใช้งานของซิลิคอนและขั้วบวกดีบุกในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ ชะลอปรากฏการณ์การบด และทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ดีขึ้น
1.2 ตัวสะสมกระแสอลูมิเนียม
แม้ว่าค่าการนำไฟฟ้าของโลหะอลูมิเนียมจะต่ำกว่าทองแดง แต่คุณภาพของลวดอลูมิเนียมจะอยู่ที่เพียงครึ่งหนึ่งของลวดทองแดงเมื่อขนส่งไฟฟ้าในปริมาณเท่ากัน ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการใช้ตัวสะสมกระแสอะลูมิเนียมสามารถช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ นอกจากนี้เมื่อเปรียบเทียบกับทองแดงแล้วอลูมิเนียมยังมีราคาถูกกว่าอีกด้วย ในระหว่างกระบวนการชาร์จ / คายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ฟิล์มออกไซด์หนาแน่นจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของตัวสะสมกระแสไฟฟ้าอลูมิเนียมฟอยล์ ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของอลูมิเนียมฟอยล์ และมักจะใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าสำหรับอิเล็กโทรดบวกใน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
เช่นเดียวกับตัวสะสมกระแสฟอยล์ทองแดง การรักษาพื้นผิวยังสามารถปรับปรุงคุณสมบัติพื้นผิวของอลูมิเนียมฟอยล์ได้อีกด้วย หลังจากการกัดด้วยกระแสตรง โครงสร้างรังผึ้งจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของอลูมิเนียมฟอยล์ ซึ่งเกาะติดกับวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดบวกอย่างแน่นหนายิ่งขึ้น และปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง ตัวสะสมกระแสอะลูมิเนียมมักจะประสบกับการกัดกร่อนอย่างรุนแรงเนื่องจากการถูกทำลายของฟิล์มทู่ที่พื้นผิว ส่งผลให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนลดลง ดังนั้น เพื่อปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของอลูมิเนียมฟอยล์ที่แกะสลัก จึงจำเป็นต้องปรับพื้นผิวให้เหมาะสมและสร้างฟิล์มทู่ที่มีความเสถียรมากขึ้น
1.3 ตัวสะสมกระแสนิกเกิล
นิกเกิลเป็นโลหะฐานซึ่งมีราคาค่อนข้างต่ำ มีการนำไฟฟ้าที่ดี และมีความเสถียรในสารละลายที่เป็นกรดและด่าง ดังนั้นนิกเกิลสามารถใช้เป็นทั้งตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของอิเล็กโทรดบวกและตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของอิเล็กโทรดลบ มีทั้งวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดเชิงบวก เช่น ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต และวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดเชิงลบ เช่น นิกเกิลออกไซด์ ซัลเฟอร์ และวัสดุผสมคาร์บอนซิลิคอนที่เข้ากัน
รูปร่างของตัวสะสมนิกเกิลมักประกอบด้วยโฟมนิกเกิลและฟอยล์นิกเกิล เนื่องจากโฟมนิกเกิลได้พัฒนาช่องทางและพื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่กับสารออกฤทธิ์ ความต้านทานการสัมผัสระหว่างสารออกฤทธิ์และตัวสะสมจึงลดลง เมื่อใช้ฟอยล์นิกเกิลเป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของอิเล็กโทรด เมื่อจำนวนรอบการชาร์จ/คายประจุเพิ่มขึ้น วัสดุออกฤทธิ์มีแนวโน้มที่จะหลุดออก ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ในทำนองเดียวกัน กระบวนการปรับสภาพพื้นผิวยังใช้ได้กับตัวสะสมกระแสฟอยล์นิกเกิลอีกด้วย หลังจากการกัดผิวของตัวสะสมกระแสไฟฟ้าฟอยล์นิกเกิล ความแข็งแรงพันธะระหว่างสารออกฤทธิ์และตัวสะสมกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
นิกเกิลออกไซด์มีข้อดีคือมีโครงสร้างที่มั่นคง ราคาต่ำ และมีความจุเฉพาะทางทฤษฎีสูง ทำให้เป็นวัสดุแอคทีฟอิเล็กโทรดลบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จากสิ่งนี้ ชั้นของนิกเกิลออกไซด์ถูกปลูกในแหล่งกำเนิดบนพื้นผิวของโฟมนิกเกิลโดยวิธีออกซิเดชันของเฟสของแข็ง และแอโนดของนิกเกิลออกไซด์ด้วยโฟมนิกเกิลในขณะที่เตรียมตัวสะสม เมื่อเทียบกับนิกเกิลฟอยล์/นิกเกิลออกไซด์ขั้วลบ ความจุเฉพาะของการปล่อยครั้งแรกของโฟมนิกเกิล/นิกเกิลออกไซด์ขั้วลบเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เหตุผลก็คือเมื่อเปรียบเทียบกับตัวสะสมกระแสไฟฟ้าแบบสองมิติ ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่มีโครงสร้างแบบสามมิติจะช่วยลดปรากฏการณ์โพลาไรเซชันของอินเทอร์เฟซ และปรับปรุงความเสถียรของวงจรการชาร์จ/คายประจุของแบตเตอรี่
ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตถือเป็นวัสดุออกฤทธิ์เชิงบวกในอุดมคติสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังงาน เนื่องจากมีความปลอดภัยที่ดีและมีแหล่งวัตถุดิบที่กว้างขวาง การเคลือบบนพื้นผิวของตัวสะสมนิกเกิลโฟมสามารถเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่าง LiFePO4 และนิกเกิลโฟม ลดความหนาแน่นกระแสของปฏิกิริยาอินเทอร์เฟซ และช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการปล่อยอัตราการปล่อยของ LiFePO4
1.4 ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าสแตนเลส
เหล็กกล้าไร้สนิมหมายถึงโลหะผสมที่มีองค์ประกอบต่างๆ เช่น นิกเกิล โมลิบดีนัม ไทเทเนียม ไนโอเบียม ทองแดง และเหล็ก มีค่าการนำไฟฟ้าและความเสถียรที่ดี และสามารถทนต่อการกัดกร่อนทางเคมีจากตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอ่อน เช่น อากาศ ไอน้ำ และน้ำ รวมถึงตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง เช่น กรด ด่าง และเกลือ พื้นผิวสแตนเลสยังมีแนวโน้มที่จะเกิดฟิล์มทู่ ซึ่งสามารถปกป้องพื้นผิวจากการกัดกร่อนได้ ในเวลาเดียวกัน เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถแปรรูปได้บางกว่าทองแดง โดยมีข้อดี เช่น ต้นทุนต่ำ กระบวนการที่เรียบง่าย และการผลิตขนาดใหญ่ สแตนเลสสามารถใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟบวกหรือลบได้ และตัวสะสมกระแสไฟฟ้าสแตนเลสประเภททั่วไป ได้แก่ ตาข่ายสแตนเลสและสแตนเลสที่มีรูพรุน
1.4.1 ของเหลวสะสมตาข่ายสแตนเลส
พื้นผิวของตาข่ายสแตนเลสมีความหนาแน่น เมื่อใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้า พื้นผิวจะถูกห่อหุ้มด้วยวัสดุแอคทีฟของอิเล็กโทรด และไม่สัมผัสโดยตรงกับอิเล็กโทรไลต์ ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงน้อยลง และปรับปรุงประสิทธิภาพการหมุนเวียนของแบตเตอรี่
1.4.2 ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าสแตนเลสที่มีรูพรุน
วิธีที่ง่ายและมีประสิทธิภาพในการใช้วัสดุออกฤทธิ์อย่างเต็มที่และปรับปรุงความสามารถในการคายประจุจำเพาะของอิเล็กโทรดคือการใช้ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่มีรูพรุน
1.5 ตัวสะสมกระแสคาร์บอน
เมื่อใช้วัสดุคาร์บอนเป็นตัวสะสมกระแสอิเล็กโทรดบวกหรือลบ มันสามารถหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์บนตัวสะสมกระแสโลหะ และมีข้อดีของทรัพยากรมากมาย การประมวลผลง่าย ความต้านทานต่ำ ไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม และราคาต่ำ
ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์สามารถใช้เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบยืดหยุ่นได้ เนื่องจากมีความยืดหยุ่น การนำไฟฟ้า และความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าเป็นเลิศ ท่อนาโนคาร์บอนเป็นอีกรูปแบบหนึ่งของตัวสะสมกระแสไฟฟ้าคาร์บอน ซึ่งมีข้อได้เปรียบเหนือตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่เป็นโลหะอย่างเห็นได้ชัดในแง่ของน้ำหนักเบา และสามารถปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก
1.6 ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าแบบคอมโพสิต
นอกเหนือจากตัวสะสมเดี่ยว เช่น ตัวสะสมทองแดง ตัวสะสมอะลูมิเนียม ตัวสะสมนิกเกิล ตัวสะสมสแตนเลส และตัวสะสมคาร์บอน ตัวสะสมคอมโพสิตยังดึงดูดความสนใจด้านการวิจัยของนักวิชาการในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เช่น เรซินนำไฟฟ้า อลูมิเนียมฟอยล์เคลือบคาร์บอน และไทเทเนียม โลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างนิกเกิล
1.6.1 ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าเรซินนำไฟฟ้า
ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าโพลีเอทิลีน (PE) และฟีนอลิกเรซิน (PF) ประกอบด้วยตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเมทริกซ์เรซินโพลีเมอร์ ตัวสะสมกระแสคอมโพสิตถูกเตรียมโดยการผสม PE และ PF อย่างสม่ำเสมอเป็นวัสดุเมทริกซ์กับสารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (กราไฟต์ คาร์บอนแบล็ก) และศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของพวกมัน กราฟีนเป็นวัสดุคาร์บอนเชิงฟังก์ชันสองมิติที่มีเอกลักษณ์และแปลกใหม่ ซึ่งเกิดขึ้นจากการผสมพันธุ์ sp2 ของอะตอมคาร์บอน มีข้อดีหลายประการ เช่น ค่าการนำไฟฟ้าสูงเป็นพิเศษ พื้นที่ผิวจำเพาะ และความแข็งแรงทางกล สามารถใช้แทนกราไฟท์เป็นวัสดุแอคทีฟอิเล็กโทรดลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือเป็นวัสดุสะสมกระแสไฟฟ้าได้
1.6.2 ตัวสะสมกระแสโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างนิกเกิลไทเทเนียม
เมมโมรีอัลลอยด์รูปร่างนิกเกิลไทเทเนียมเป็นโลหะผสมไบนารีที่ประกอบด้วยนิกเกิลและไทเทเนียม ซึ่งสามารถแปลงระหว่างเฟสคริสตัลสองเฟสที่แตกต่างกันตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือความดันภายนอก เมมโมรีอัลลอยด์รูปร่างนิกเกิลไทเทเนียมสามารถระงับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของสารออกฤทธิ์ระหว่างการชาร์จและการคายประจุโดยการเปลี่ยนสถานะเฟสของตัวเอง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงอายุการใช้งานของแบตเตอรี่
1.6.3 ตัวเก็บประจุกระแสไฟอะลูมิเนียมฟอยล์เคลือบคาร์บอน
ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่เคลือบด้วยคาร์บอน/อลูมิเนียมฟอยล์หมายถึงตัวสะสมกระแสไฟฟ้าแบบคอมโพสิตซึ่งมีชั้นคอมโพสิตที่มีคาร์บอนเคลือบอยู่บนพื้นผิวของอลูมิเนียมฟอยล์ ในหมู่พวกเขา ชั้นที่ประกอบด้วยคาร์บอนประกอบด้วยเส้นใยคาร์บอนและอนุภาคคาร์บอนแบล็คที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าซึ่งบำบัดด้วยสารช่วยกระจายตัว ซึ่งสามารถนำมารวมกันอย่างแน่นหนากับอลูมิเนียมฟอยล์เพื่อปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความต้านทานการกัดกร่อนของอิเล็กโทรด
ตัวสะสมกระแสไฟเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้และสำคัญในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยมีฟังก์ชันหลายอย่างในการลำเลียงวัสดุออกฤทธิ์ของอิเล็กโทรดและรวบรวมกระแสไฟขาออก ประสิทธิภาพของตัวสะสมปัจจุบันที่เตรียมจากวัสดุและกระบวนการผลิตที่แตกต่างกันจะแตกต่างกันไป และผลกระทบต่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนก็แตกต่างกันเช่นกัน