干货｜锂电池为何负极用铜箔，正极用铝箔
来源：材料匠
对于锂离子电池来说，通常使用的正极集流体是铝箔，负极集流体是铜箔，为了保证集流体在电池内部稳定性，二者纯度都要求在98%以上 。随着锂电技术的不断发展，无论是用于数码产品的锂电池还是电动汽车的电池，我们都希望电池的能量密度尽量高，电池的重量越来越轻，而在集流体这块最主要就是降低集流体的厚度和重量，从直观上来减少电池的体积和重量。
锂离子电池的正极为什么用铝箔，而负极用铜箔，原因有以下三点：
一是铜铝箔导电性好，质地软，价格便宜 。我们都知道，锂电池工作原理是将化学能转化为电能的一种电化学装置，那么在这个过程中，我们需要一种介质把化学能转化的电能传递出来，这里就需要导电的材料。而在普通材料中，金属材料是导电性最好的材料而在金属材料里价格便宜导电性又好的就是铜箔和铝箔。同时，在锂电池中，我们主要有卷绕和叠片两种加工方式。相对于卷绕来说，需要用于制备电池的极片具有一定的柔软性，才能保证极片在卷绕时不发生脆断等问题，而金属材料中，铜铝箔也是质地较软的金属。最后就是考虑电池制备成本，相对来说，铜铝箔价格相对便宜，世界上铜和铝元素资源丰富。
二是铜铝箔在空气中也相对比较稳定 。铝很容易跟空气中的氧气发生化学反应，在铝表面层生成一层致密的氧化膜，阻止铝的进一步反应，而这层很薄的氧化膜在电解液中对铝也有一定的保护作用。铜在空气中本身比较稳定，在干燥的空气中基本不反应。
三是锂电池正负极电位决定正极用铝箔，负极用铜箔，而非反过来 。正极电位高，铜箔在高电位下很容易被氧化，而铝的氧化电位高，且铝箔表层有致密的氧化膜，对内部的铝也有较好的保护作用。采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能这也会有利于粘结)，也相对常见比较廉价，同时两者表面都能形成一层氧化物保护膜。
一、金属铝的晶格八面体空隙大小与Li 大小相近，极易与Li形成金属间隙化合物，Li 和Al不仅形成了化学式为LiAl的合金，还有可能形成了Li3Al2或Li4Al3。 由于金属Al与Li 反应的高活泼性，使金属Al消耗了大量的Li ，本身的结构和形态也遭到破坏，故不能作为锂离子电池负极的集流体；而Cu在电池充放电过程中，只有很少的嵌锂容量，并且保持了结构和电化学性能的稳定，可作为锂离子电池负极的集流体；Cu箔在3.75V时，极化电流开始显著增大，并且呈直线上升，氧化加剧，表明Cu在此电位下开始不稳定；而铝箔在整个极化电位区间，极化电流较小，并且恒定，没有观察到明显腐蚀现象的发生，保持了电化学性能的稳定。由于在锂离子电池正极电位区间， Al的嵌锂容量较小，并且能够保持电化学稳定，适合作锂离子电池的正极集流体。
二、铜/镍表面氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚，阻抗较大；而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体，氧化层不能导电， 但由于其很薄，通过隧道效应实现电子电导，若氧化层较厚，铝箔导电性级差，甚至绝缘。一般集流体在使用前最好要经过表面清洗，一方面洗去油污，同时可除去厚氧化层。
三、正极电位高，铝薄氧化层非常致密，可防止集流体氧化。 而铜/镍箔氧化层较疏松些，为防止其氧化，电位比较低较好，同时Li难与Cu/镍在低电位下形成嵌锂合金，但是若铜/镍表面大量氧化，在稍高电位下Li会与氧化铜/镍发生嵌锂发应。而铝箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl合金化。
四、集流体要求成分纯。 Al的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀，更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAl合金。
锂电用铜铝箔厚度要求
随着近些年锂电迅猛发展，锂电池用集流体发展也很快。 正极铝箔由前几年的16um降低到14um，再到12um，现在已经不少电池生产厂家已经量产使用10um的铝箔，甚至用到8um。而负极用铜箔，由于本身铜箔柔韧性较好，其厚度由之前12um降低到10um，再到8um，到目前有很大部分电池厂家量产用6um，以及部分厂家正在开发的5um/4um都是有可能使用的。由于锂电池对于使用的铜铝箔纯度要求高，材料的密度基本在同一水平，随着开发厚度的降低，其面密度也相应降低，电池的重量自然也是越来越小，符合我们对于锂电池的需求。
锂电用铜铝箔表面粗糙度要求:
对于集流体，除了其厚度重量对锂电池有影响外，集流体表面性能对电池的生产及性能也有较大的影响。 尤其是负极集流体，由于制备技术的缺陷，市场上的铜箔以单面毛、双面毛、双面粗化品种为主。这种两面结构不对称导致负极两面涂层接触电阻不对称，进而使两面负极容量不能均匀释放；同时，两面不对称也引发负极涂层粘结强度不一致，是的两面负极涂层充放电循环寿命严重失衡，进而加快电池容量的衰减。
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工程师经验解答锂电池生产十大问题
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一、负极涂布出现针孔的原因是什么？是材料没有分散好的原因麽？有没有可能是材料粒度分布不好的原因？
针孔的出现应该有以下几个因素会造成：1.箔材不洁净；2.导电剂未分散；3.负极主体材料未分散；4.配方中有些成分中有杂质；5.导电剂颗粒不均匀，分散困难；6.负极颗粒不均匀，分散困难；7.配方材料本身存在质量问题；8.搅拌锅未清洗干净，造成锅内有干粉残留。具体哪些原因，自己去过程监控分析一下便可。
另外关于隔膜黑斑我在多年前就遇到过，我先简单解答一下，不对地方请指正。 据分析，确定了黑斑是由于电池极化放电引起隔膜局部高温，负极粉粘结到隔膜上而引起的，而极化放电是由于材料和工艺原因，电池卷芯内存在有活性物质附粉，造成电池化成充电后产生极化放电。要避免以上问题，首先要采用合适的和浆工艺解决活性物质与金属集体的粘结，在电池极板制做、电池装配中避免人为造成的脱粉。
在涂布过程中加入一些不影响电池性能的添加剂确实可以改善极片的某些性能。当然，在电解液里面加入这些成分，可以达到巩固之功效。隔膜局部高温，是由于极片的不均匀性造成，严格来说是属于微短路，微短路会造成局部高温，可能造成负极的脱粉。
二、电池内阻过大的原因有哪些？
工艺方面:
1.正极配料导电剂过少（材料与材料之间导电性不好，因为锂钴本身的导电性非常差）
2.正极配料粘结剂过多。（粘结剂一般都是高分子材料，绝缘性能较强）
3.负极配料粘结剂过多。（粘结剂一般都是高分子材料，绝缘性能较强）
4.配料分散不均匀。
5.配料时粘结剂溶剂不完全。（不能完全溶于NMP、水）
6.涂布拉浆面密度设计过大。（离子迁移距离大）
7.压实密度太大，辊压过实。（辊压过死，活性物质结构有的遭到破坏）
8.正极耳焊接不牢，出现虚焊接。
9.负极耳焊接或铆接不牢，出现虚焊，脱焊。
10.卷绕不紧，卷芯松弛。（使正负极片间的距离增大）
11.正极耳与壳体焊接不牢固。
12.负极极耳与极柱焊接不牢。
13.电池烘烤温度过高，隔膜收缩。（隔膜孔径缩小）
14.注液量过少（导电率降低，循环后内阻增大快！）
15.注液后搁置时间太短，电解液未充分浸润
16.化成时未完全活化。
17.化成过程电解液外漏太多。
18.生产过程水分控制不严格，电池膨胀。
19.电池充电电压设置过高，造成过充。
20.电池贮存环境不合理。
材料方面:
21.正极材料电阻大。（导电性差，如如磷酸铁锂）
22.隔膜材料影响（隔膜厚度、孔隙率小、孔径小）
23.电解液材料影响。（电导率小、粘度大）
24.正极PVDF材料影响。（量多或者分子量大）
25.正极导电剂材料影响。（导电性差，电阻高）
26.正负极极耳材料影响（厚度薄导电性差，厚度不均，材料纯度差）
27.铜箔，铝箔材料导电性差或表面有氧化物。
28.盖板极柱铆接接触内阻偏大。
29.负极材料电阻大。其他方面
30.内阻测试仪器偏差。
31.人为操作。
三、电极片涂的不均匀，请问，应注意那些问题？
这个问题是比较常见的，本来解决起来比较容易，但是许多涂布工作人员不善于总结，造成把一些存在的问题点默认为正常的，无法避免的现象。首先要清楚知道，影响面密度的因素和影响面密度稳定值的因素，才可以有针对性解决问题。
影响涂布面密度的因素有：
1.材料本身因素
2.配方
3.搅拌混料
4.涂布环境
5.刀口
6.浆料粘度
7.极片走速
8.地表水平度
9.涂布机精度
10.烤箱风力
11.涂布张力等等...
影响极片均匀性的因素：
1.浆料质量
2.浆料粘度
3.走速
4.箔材张力
5.张力平衡方式
6.涂布牵引长度
7.噪音
8.地表平整度
9.刀口平整度
10.箔材平整度等等...
以上还只是列出了一些因素，具体还要自己分析原因，有针对性排除造成面密度异常的因素。
四、请教， 正负极的集流体分别用铝箔和铜箔，有什么特别的原因吗？ 反过来用有什么问题吗？ 看到不少文献直接用不锈钢网的，有区别吗？
1、采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能这也会有利于粘结)，也相对常见比较廉价，同时两者表面都能形成一层氧化物保护膜。
2、铜表面氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚，阻抗较大；而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体，氧化层不能导电，但由于其很薄，通过隧道效应实现电子电导，若氧化层较厚，铝箔导电性级差，甚至绝缘。一般集流体在使用前最好要经过表面清洗，一方面洗去油污，同时可除去厚氧化层。
3、正极电位高，铝薄氧化层非常致密，可防止集流体氧化。而铜箔氧化层较疏松些，为防止其氧化，电位比较低较好，同时Li难与Cu在低电位下形成嵌锂合金，但是若铜表面大量氧化，在稍高电位下Li会与氧化铜发生嵌锂发应。AL箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl合金化。
4、集流体要求成分纯。AL的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀，更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAl合金。铜网用硫酸氢盐清洗后用去离子水清洗后烘烤，铝网用氨盐清洗后用去离子水清洗后烘烤，再喷网导电效果好。
五、有个问题请教。 我们在测卷心短路时，采用的电池短路测试仪，电压多高时，可以准确测试出短路电芯，还有，短路测试仪的高电压击穿原理是什么样的，期待你详细解说，谢谢！
用多高的电压来测电芯短路，和以下几个因素有关：
1.贵公司的工艺水平；
2.电池本身的结构设计
3.电池的隔膜材料
4.电池的用途
不同的公司采用的电压不太一样，不过很多公司都是不管型号大小容量高低清一色用同一电压的。以上几个因素按照从重到轻的顺序可以这样排列：1>4>3>2，即是说，贵公司的工艺水平决定短路电压大小。
击穿原理简单说来，就是由于在极片与隔膜间，如果存在一些潜在短路的因素，如粉尘，颗粒，较大隔膜孔，毛刺等，我们可以称之为薄弱环节。在固定的，较高的电压下，这些薄弱的环节使得正负极片间的接触内阻要比其它地方要小，容易电离空气产生电弧；或者是正负极已经短路，接触点较小，在高压条件下，这些小接触点瞬间有大电流通过，电能瞬间转换成热能，造成隔膜融化或瞬间击穿。
六、材料粒径大小对放电电流影响是怎么样的？ 期待回复，谢谢！
简单说来，粒径越小，导电性越好，粒径越大，导电性越差，自然地，高倍率材料一般都是高结构小颗粒高导电性的。
只是从理论上分析，实际如何实现，那只能让做材料的朋友来解释，提高小粒径材料的导电能力是一件很困难的事情，特别是纳米级材料，而且小颗粒的材料压实会比较小，即体积容量小。
七、请问大家一个问题，我们的正负极极片在对辊后，烘烤12小时存放一天反弹了10um，为什么会有这么大的反弹呢？
有两个最本质的影响因素：材料和工艺。
1. 材料的性能决定了反弹系数，不同的材料反弹系数不一样；同一种材料，不同的配方，反弹系数不同；同一材料，同一配方，压片厚度不一样，反弹系数不同；
2. 如果过程工序控制不好，也会造成反弹。存放时间，温度，压力，湿度，堆积方式，内应力，设备等等。
八、圆柱电池漏液问题怎么解决？
圆柱为闭口化成，在注液后封口，因此，封口自然就成为圆柱封口的难点目前圆柱电池封口大概有以下几种方式：
1.激光焊封口
2.密封圈封口
3.胶水封口
4.超声波振动封口
5.以上几种封口类型两种或两种以上的组合
6.其它封口方式
漏液的几种引起因素：
1.封口不牢造成漏液，通常有封口处变形，封口处被污染，属于封口不良。
2.封口的稳定性也是一个因素，即封口时检验合格，但是封口处容易被破坏，造成漏液。
3.化成或测试时产气，达到封口可承受的最大应力，冲击封口，造成漏液。与第2 点的区别是，第2点属于不良品漏液，第3点属破坏型漏液，即封口合格，只是内压过大使封口破坏。
4.其它漏液方式。
具体怎么解决，要看引起漏液的原因，只要找出原因，就容易解决了，难就难在原因不好找，因为圆柱的封口效果比较难检验，大多属破坏类型，用于抽检。
九、我们做实验时，电解液都是过量的，请问在不溢出的情况下，电解液过量对电池性能有影响吗？
不溢出？有好几种情况：
1.电解液刚刚好
2.电解液略有过量
3.电解液大量过量，但是未达极限
4.电解液大量过量，已经接近极限
5.已经满到极限，可以封口
第一种情况是理想情况，没有什么问题。
第二种情况嘛，略有过量有时是一个精度问题，有时是一个设计问题，一般会设计过量一些。
第三种情况，也没有什么问题，只是浪费点成本。
第四种情况就有点危险。因为电池在使用或测试过程中，会由于各种原因：造成电解液分解，产生部分气体；电池发热，产生热胀；以上两种情况很容易造成电池的鼓壳（也可以叫变形）或漏液，增加了电池的安全隐患。
第五种情况，其实是第四种情况的加强版，危险性就更大了。
再说夸张一些，液态也可以成为电池的。即是将正负极同时插入装有大量电解液的容器中（比如说500ML烧杯），此时，对正负极可以进行充放电，也是一个电池，那这里的电解液过量就不是一点点了。电解液只是一个导电的媒介。但是电池的体积是有限的，在有限的体积内，自然要考虑空间利用和形变的问题。
十、注液量偏少，电池分容后会导致鼓壳吗？
只能说不一定，要看注液量少到什么程度。
1.如果电芯被电解液完全浸润，但是并无残留，此时分容后电池不会鼓壳；
2.如果电芯被电解液完全浸润，有少部分残留，但是比贵公司的要求注液量要少一些（当然这个要求并不一定是最佳值，略有偏差），此时分容电池不会鼓壳；
3.如果电芯被电解液完全浸润，有大量电解液残留，但是贵公司对注液量的要求比实际偏高，此时所谓的注液量不足只是一个公司的概念，而并不能真实反应电池的实际注液量的合适程度，分容电池不鼓壳；
4.实质性的注液量不足。这也是看程度而言。如果电解液勉强能够浸润电芯，分容后可能鼓壳，也可能不鼓，只是分容电池鼓壳的机率大一些；
如果电芯的注液量出现严重不足的情况，那么，电池在化成时的电能并不能转化为化学能，此时，分容电芯的鼓壳的机率几乎是100%。
那么，就可以做如下总结：假设电池的实际最佳注液量为Mg，以注液量偏小，分以下几种情况：
1.注液量=M：电池正常
2.注液量略小于M：电池分容不鼓壳，容量可能正常，也可能略低于设计值，循环鼓壳机率增大，循环性能变差；
3.注液量远小于M：电池分容鼓壳率相当高，电池出现低容，循环稳定性极差，一般几十周容量即低于80%
4.M=0,电池不鼓壳，无容量。
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