锂电池正极用铝箔，负极用铜箔的机理分析

锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜组成，而正负极材料通常涂覆在集流体上，集流体就是那些金属箔，用来收集和传导电流。那为什么正极用铝箔而负极用铜箔呢？这主要从电位的稳定性、导电性、化学稳定性、以及成本等来考虑。

1.电位稳定性

说到稳定性，首先应该了解铜和铝的电位。铜(Cu2+/Cu)：标准还原电位约为+0.34V（相对于标准氢电极）；铝(Al3+/Al)：标准还原电位约为-1.66V（相对于标准氢电极）。这说明在标准条件下，铝的还原电位比铜低得多，意味着铝更容易被氧化，失去电子，而铜相对更稳定，不容易被氧化。（ps：电位越高，金属越倾向于被还原，即作为阴极，不易被氧化；电位越低，金属越倾向于被氧化，即作为阳极，易失去电子）。在锂离子电池的负极低电位环境下，铝比铜更易发生反应，这是负极必须使用铜箔而非铝箔的核心原因。

铜的较高还原电位使其在强还原性条件下保持稳定，而铝的钝化行为失效和合金化倾向会导致电池性能下降。

如果铝作为负极集流体可能会造成很多副反应，比如铝与锂发生合金化反应生成 Li-Al合金，因为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；其次钝化层失效：铝表面的氧化铝（Al2O3） 钝化层可能在强还原性环境中中被还原，失去保护作用，引发腐蚀。

2.导电性与电流需求

铜的导电性（≈5.8×10⁷ S/m）优于铝（≈3.5×10⁷ S/m）。负极需要更高的电流密度（如快充时），铜箔的低电阻特性更适合此需求。而正极的电流密度相对较低，铝箔的导电性已足够。 

3.机械性能与体积变化

铜的机械强度比铝高，适合作为负极集流体，因为负极材料在充放电过程中体积变化较大，需要更坚固的集流体来保持结构稳定，更好地承受反复膨胀/收缩，避免集流体断裂。而正极材料的体积变化相对较小，铝箔足够使用，同时铝更轻，有助于减轻电池重量，提高能量密度。

4.重量与成本

铝的密度（2.7 g/cm³）远低于铜（8.96 g/cm³），使用铝箔可显著减轻正极重量，提升电池能量密度。同时，铝的成本较低，有助于降低整体电池成本。

5.电解液相容性

在有机电解液（如LiPF6/碳酸酯）中，Al箔表面覆盖有一层氧化膜，该氧化膜是Al2O3的钝态，因此具有耐电解液和氧化的能力。因此，使用它的原因之一是即使经过很长一段时间也不会腐蚀。然而，Al2O3薄膜的存在增加了与复合材料的接触电阻，很多公司正在努力通过粗糙化表面来降低接触电阻。而铜在低电位下不易与电解液发生副反应，确保长期循环稳定性。

小结：

总之，正极选用铝箔，因其在高电位下的钝化稳定性、轻量化及成本优势；负极选用铜箔，则得益于其在低电位下的化学惰性、高导电性及机械强度。但是也有例外，如钛酸锂电池LTO，因为钛酸锂负极的工作电位较高（约1.55 V vs. Li⁺/Li），显著高于传统石墨负极（0.1-0.2 V）。在此电位下，铝不会与锂发生合金化反应，避免了铜箔在低电位下的腐蚀问题，所以其负极也是用铝箔。