Katodni supstrat u litij-ionskoj ćeliji je tanka aluminijska folija koja istovremeno obavlja dva posla. On provodi elektrone od aktivnog materijala do jezička ćelije i djeluje kao mehanički nosač koji drži obloženu elektrodu zajedno kroz oblaganje, sušenje, kalandriranje, rezanje i namotavanje. Budući da jedna rupica ili korak debljine može uzrokovati defekt premaza ili kratki spoj ćelije, katodna folija je specificirana mnogo čvršće nego folija iste debljine koja se koristi u pakiranju.
Zašto aluminij, a ne neki drugi metal
Aluminij se koristi na pozitivnoj elektrodi jer tvori tanki sloj prirodnog oksida koji pasivizira površinu i održava metal stabilnim preko radnog potencijala katode, otprilike 3,0 do 4,5 V u odnosu na litij. Ispod oko 1,5 V u odnosu na litij isti oksidni sloj više nije stabilan i aluminij se počinje legirati s litijem, zbog čega negativna elektroda umjesto njega koristi bakrenu podlogu. Ovaj elektrokemijski prozor, a ne sam trošak, razlog je što dvije elektrode koriste različite metale kolektora.
Čistoća i temperament legure
Katodna folija proizvodi se od visoko{0}}stupnjeva čistoće kao što su 1060, 1070, 1085 i 1235, sa sastavom kontroliranim prema EN 573-3 za kovani aluminij. Čistoća je važna jer su faze bogate željezom, bakrom-silicijem katodne u odnosu na aluminijsku matricu i djeluju kao početna mjesta za piting tijekom ciklusa, tako da se razine zaostale nečistoće održavaju znatno ispod onih koje su prihvatljive u foliji za pakiranje. Temperatura se odabire u skladu s postupkom premazivanja i namotavanja: H18 daje najveću čvrstoću za tanke debljine i otporan je na varijacije napetosti na liniji premazivanja, dok se odabiru mekše temperature gdje je polumjer namotavanja tijesan i folija se mora prilagoditi bez pucanja. Zahtjevi mehaničkih svojstava za gotovu foliju slijede GB/T 36146, kineski standard za aluminij i foliju od aluminijskih legura koja se koristi u litij-ionskim baterijama.
Promjer, mehanička svojstva i otpornost lima
Glavna katodna folija isporučuje se između 10 i 20 mikrona, pri čemu 12 do 15 mikrona pokriva većinu proizvodnih ćelija. Odabir mjerača izravan je kompromis-: tanja folija ostavlja više volumena ćelije za aktivni materijal i povećava gravimetrijsku gustoću energije, ali također smanjuje trenutni-poprečni-presjek i smanjuje raspon napetosti na liniji premaza. Otpor sloja obrnuto je proporcionalan debljini, tako da aluminijska folija od 12 mikrona pri otporu od oko 2,7 mikro-ohm centimetra daje otpor sloja od otprilike 2,2 miliohma po kvadratu, a rezultirajući ohmski gubitak mora biti uključen u dizajn ćelije. Vlačna čvrstoća i istezanje obično se navode kao usklađeni par, budući da velika čvrstoća bez odgovarajućeg istezanja uzrokuje lomljenje trake tijekom namatanja.
| Parametar | Tipični raspon proizvodnje | Implikacija procesa |
|---|---|---|
| Debljina | 10 - 20 mikrona | Gustoća energije u odnosu na snagu mreže |
| Vlačna čvrstoća | 180 MPa i više u H18 | Kontrola napetosti na liniji za nanošenje premaza |
| Elongacija | 2 % i više | Otpornost na pucanje u radijusu namotaja |
| Hrapavost površine Ra | 0.15 - 0.40 mikrona | Vlaženje kašom i prianjanje premaza |
| Rupice | Nula prihvaćena | Izravni rizik od kratkog -spoja |
Stanje površine, rezanje i čistoća
Adhezija premaza ovisi o površinskoj energiji i topografiji, a ne samo o kemijskom povezivanju. Mlin kontrolira hrapavost kroz teksturu valjka i raspored prolaza, a pretvarač mora održavati površinu čistom od ulja za valjanje, prašine i metalnih ostataka. Rezanje je kritičan korak jer čičak ostavljen na rubu folije može probiti separator tijekom namatanja i stvoriti unutarnji kratki spoj; visina srha je stoga specificirana odvojeno od tolerancije debljine. S folijom za proizvodnju elektroda rukuje se u suhim prostorijama, budući da adsorbirana vlaga reagira sa soli elektrolita i stvara fluorovodik koji napada pasivacijski sloj i inicira piting. Nagnutost i ravnost također se kontroliraju jer valovita mreža uzrokuje varijaciju debljine premaza po širini.
Ponašanje na liniji za premazivanje
Katodna smjesa, tipično aktivni materijal s vodljivim aditivom i vezivom u otapalu, nanosi se na jednu ili obje strane folije i zatim se suši. Sušenje izlaže tkaninu toplinskom širenju i skupljanju nakon uklanjanja otapala, a folija mora podnijeti to kretanje bez naboranja. Kalandriranjem se zatim premaz komprimira do željene gustoće, primjenjujući velika linearna opterećenja koja podloga mora izdržati bez podešenog istezanja. Prianjanje osušenog premaza na foliju provjerava se tijekom kvalifikacije, a metode čvrstoće na ljuštenje kao što je ASTM D903 obično se prilagođavaju za ispitivanje elektroda. Provjera na razini ćelije gotove elektrode provodi se prema IEC 62660 za vučne ćelije i IEC 62133-2 za prijenosne zapečaćene ćelije.
Često postavljana pitanja
Q:Koja se debljina aluminijske folije koristi kao katodna podloga?
O: Većina proizvodnih ćelija koristi foliju od 12 do 15 mikrona, s punim komercijalnim rasponom koji obuhvaća otprilike 10 do 20 mikrona. Tanji mjerači povećavaju gustoću energije, ali sužavaju prozor obrade.
Q:Koje se aluminijske legure koriste za katodnu foliju baterija?
O: Visok{0}}stupnjevi čistoće kao što su 1060, 1070, 1085 i 1235 su standardni. Nizak sadržaj željeza, bakra i silicija ograničava broj mjesta inicijacije rupičaste korozije.
Q:Zašto je hrapavost površine navedena na katodnoj foliji?
O: Hrapavost kontrolira kako se kaša vlaži i pričvršćuje za metal. Previše glatko i prianjanje premaza je slabo; previše hrapav i težina premaza postaje nejednaka po elektrodi.
Q:Zašto su rupice u foliji za baterije odbijene, ali tolerirane u foliji za pakiranje?
O: Rupica u podlozi elektrode izlaže goli metal koji može doći u kontakt sa suprotnom elektrodom kroz separator, stvarajući unutarnji kratki spoj. Folija za pakiranje može tolerirati izolirane rupice jer polimerni slojevi još uvijek predstavljaju barijeru.
Q:Koji standard pokriva aluminijsku foliju za litij-ionske baterije?
O: GB/T 36146 specificira aluminij i foliju od aluminijskih legura za litij-ionske baterije u kineskom sustavu. Zahtjevi na razini ćelije pokriveni su IEC 62660 za vučne aplikacije i IEC 62133-2 za prijenosne ćelije.
Q:Zašto se katodnom folijom mora rukovati u suhoj prostoriji?
O: Adsorbirana vlaga reagira sa soli elektrolita da bi se stvorio fluorovodik, koji napada zaštitni oksidni sloj na aluminiju i dovodi do rupičaste korozije kolektora.