Unutar litijum{0}}jonske ćelije, folije elektroda su jedine metalne komponente koje ostaju u kontaktu sa elektrolitom tokom cijelog vijeka trajanja. Aluminijska folija na pozitivnoj strani čini više od provođenja struje: ona definira mehaničku platformu na kojoj je aktivni materijal obložen, a njena stabilnost pri visokom potencijalu je ono što omogućava da se aluminijski kolektor uopće tamo koristi. Razumijevanje folije na nivou ćelije objašnjava zašto se specifikacija toliko razlikuje od formata ćelije do formata.
Funkcija kolektora struje
Čestice aktivnog materijala su sami po sebi loši elektronski provodnici, tako da je svaka elektroda obložena metalnim kolektorom koji prenosi struju do jezička. Na pozitivnoj elektrodi kolektor je aluminijum; na negativnoj elektrodi je bakar. Aluminij je odabran za katodu jer prirodni sloj oksida pasivizira površinu i drži je stabilnom preko radnog prozora katode od otprilike 3,0 do 4,5 V u odnosu na litij. Pri nižim potencijalima oksidni sloj postaje nestabilan, legure aluminijuma sa litijumom i kolektor je uništen, što je praktični razlog zašto negativna elektroda ne može da koristi aluminijum. Dvije folije su stoga uvijek specificirane kao par kada je fiksiran dizajn ćelije.
Elektrohemijska stabilnost i mehanizmi korozije
Pasivacijski sloj nije neuništiv tokom radnog vijeka mjerenog u hiljadama ciklusa. Najčešći put razgradnje je napad fluorovodonika, koji nastaje kada zaostala vlaga reaguje sa fluorovanom soli elektrolita. Vodonik fluorid otapa dio oksidnog filma i izlaže svježi metal, a slijedi lokalizirana rupica, što podiže ćelijsku impedanciju i na kraju može perforirati foliju. Preostala vlaga također reaguje na površini tokom sastavljanja ćelije, tako da su rukovanje-suvom prostorijom i nizak sadržaj vlage u obloženoj elektrodi funkcionalni zahtjevi, a ne proizvodne preferencije. Na brzinu korozije utiču i sistem rastvarača elektrolita, temperatura i potencijal na kojem se elektroda drži, zbog čega se za kvalifikaciju materijala koriste ciklični testovi, a ne statički testovi uranjanja.
Format ćelije i metoda premaza
Format ćelije određuje kako se folija deformiše tokom montaže. Cilindrične i prizmatične ćelije koriste namotani žele, tako da folija mora preživjeti mali radijus namotaja bez pucanja, a elongacija je kontrolno svojstvo. Pouch ćelije koriste naslagane elektrode, gdje se folija seče na veličinu, a ne namotava, a kritična svojstva se pomjeraju na kvalitet i ravnost rubova. Premaz se može nanositi na jednu ili obje strane, a dvostrani premaz je standard za naslagane i namotane elektrode. Jezičci su zavareni na rub folije bez premaza, a materijal jezička mora biti kompatibilan sa kolektorom kako bi se izbjeglo galvansko djelovanje na spoju; ultrazvučno zavarivanje se široko koristi jer izbjegava zonu-zahvaćenu toplinom zavarivanja fuzijom.
| Format ćelije | Sklop elektrode | Kontrola svojstva folije |
|---|---|---|
| Cilindrične | Namotana žele rolada | Izduženje i čistoća površine |
| Prismatic | Rana ili presavijena | Ujednačenost izduženja i debljine |
| Torbica | Stacked | Kvalitet i ravnost ivica |
| Dizajn stolova | Namotana sa više-uzorcima premaza | Čvrstoća i tačnost dimenzija |
Trendovi debljine i gustina energije
Budući da kolektor nema kapacitet, svaki mikrometar uklonjen iz folije pretvara se direktno u volumen za aktivni materijal. Dizajn ćelija pomaknuo se sa kolektora od 15 do 20 mikrona prema 10 do 12 mikrona, a tanji mjerači ostaju u razvoju za visoko{5}}energetske formate. Granica je postavljena obradom, a ne elektrohemijom: kako folija postaje tanja, ista apsolutna tolerancija debljine postaje veći dio mjerača, prozor za zatezanje na liniji premaza se sužava, a granica protiv pucanja mreže i bora opada. Ujednačenost debljine folije i nagib su stoga navedeni u apsolutnim mikrometrima, a ne samo kao postotak nominalne debljine.
Standardi kvalifikacija i testiranja
Prihvatanje materijala za samu foliju slijedi GB/T 36146 za foliju od aluminijuma i legure aluminijuma koja se koristi u litijum{1}}ionskim baterijama, koji pokriva sastav, dimenzije i mehanička svojstva. Na nivou ćelije, IEC 62660-1, IEC 62660-2 i IEC 62660-3 pokrivaju testiranje performansi, pouzdanosti i zloupotrebe sekundarnih litijum-jonskih ćelija za električna drumska vozila, dok IEC 62133-2 pokriva sigurnosne zahtjeve za prijenosne zatvorene litijumske ćelije i baterije. Transportno testiranje gotovih ćelija slijedi UN priručnik za ispitivanja i kriterije, dio III, pododjeljak 38.3. Budući da su unutrašnji kratki spojevi uzrokovani defektima folije jedan od priznatih pokretača termičkog bijega, zapisi o kvaliteti folije čine dio lanca sljedivosti ćelije koji zahtijevaju ovi standardi.
Često postavljana pitanja
Q:Zašto se na katodi koristi aluminijska folija, a na anodi bakar?
O: Aluminijum pasivizira i ostaje stabilan preko katodnog potencijalnog prozora od oko 3,0 do 4,5 V u odnosu na litij. Ispod oko 1,5 V sloj oksida je nestabilan i legira aluminijum sa litijumom, pa se na negativnoj strani koristi bakarni kolektor.
Q:Šta uzrokuje koroziju aluminijumskog kolektora tokom životnog veka ćelije?
O: Vodonik fluorid nastao od preostale vlage i fluorirane soli elektrolita otapa dio zaštitnog oksidnog sloja, izlažući svježi metal i započinjući lokalizirano rupičenje koje podiže impedanciju.
Q:Koliko se može napraviti kolektor struje baterije?
O: Proizvodne ćelije koriste foliju od 10 do 15 mikrona za većinu dizajna. Tanji mjerači povećavaju gustoću energije, ali smanjuju okvir tolerancije za napetost, bore i lomove mreže tokom premaza i namotavanja.
Q:Da li format ćelije mijenja specifikaciju folije?
O: Da. Namotane cilindrične i prizmatične ćelije zahtijevaju veliko izduživanje kako bi preživjele radijus namotaja, dok naslagane ćelije vrećice stavljaju veći naglasak na kvalitet ruba i ravnost rezane elektrode.
Q:Koji se standardi primjenjuju na kvalifikaciju litijum{0}}jonskih ćelija?
O: IEC 62660-1, IEC 62660-2 i IEC 62660-3 pokrivaju vučne ćelije, IEC 62133-2 pokriva prijenosne zatvorene ćelije, a UN 38.3 se primjenjuje na transportno testiranje gotovih ćelija i baterija.
Q:Zašto je tolerancija debljine folije važnija kod primjene baterija nego kod pakiranja?
O: Težina premaza po jedinici površine određena je razmakom između glave premaza i folije, tako da se korak debljine direktno prenosi u varijaciju opterećenja elektrodama i na kraju u neravnotežu ćelije.