Wewnątrz ogniwa litowo-jonowego folie elektrod są jedynymi elementami metalowymi, które pozostają w kontakcie z elektrolitem przez cały okres użytkowania. Folia aluminiowa po stronie dodatniej nie tylko przewodzi prąd: wyznacza mechaniczną platformę, na której pokryty jest materiał aktywny, a jej stabilność przy wysokim potencjale pozwala w ogóle na zastosowanie tam kolektora aluminiowego. Zrozumienie folii na poziomie ogniwa wyjaśnia, dlaczego specyfikacja różni się tak bardzo w zależności od formatu ogniwa.
Funkcja kolektora prądu
Cząstki materiału aktywnego same w sobie są słabymi przewodnikami elektronicznymi, dlatego każda elektroda jest pokryta metalowym kolektorem, który przenosi prąd do płytki. Na elektrodzie dodatniej kolektor jest aluminiowy; na elektrodzie ujemnej jest miedź. Na katodę wybrano aluminium, ponieważ naturalna warstwa tlenku pasywuje powierzchnię i utrzymuje ją stabilnie w oknie roboczym katody wynoszącym około 3,0 do 4,5 V w porównaniu z litem. Przy niższych potencjałach warstwa tlenku staje się niestabilna, stopy aluminium z litem i kolektor ulegają zniszczeniu, co jest praktycznym powodem, dla którego elektroda ujemna nie może wykorzystywać aluminium. Dlatego przy ustalaniu konstrukcji ogniwa obie folie są zawsze określane jako para.
Stabilność elektrochemiczna i mechanizmy korozji
Warstwa pasywacyjna nie jest niezniszczalna w okresie użytkowania mierzonym w tysiącach cykli. Najczęstszą drogą degradacji jest atak fluorowodoru, który powstaje, gdy wilgoć resztkowa reaguje z fluorowaną solą elektrolitu. Fluorowodór rozpuszcza część warstwy tlenku i odsłania świeży metal, co powoduje miejscowe wżery, które zwiększają impedancję ogniwa i mogą ostatecznie przebić folię. Wilgoć resztkowa reaguje również na powierzchni podczas montażu ogniwa, dlatego obsługa-suchego pomieszczenia i niska zawartość wilgoci w elektrodzie otulonej to wymagania funkcjonalne, a nie preferencje produkcyjne. Na szybkość korozji wpływa także układ rozpuszczalników elektrolitu, temperatura i potencjał, na jakim utrzymywana jest elektroda, dlatego do kwalifikacji materiału stosuje się testy cykliczne, a nie statyczne testy zanurzeniowe.
Format komórki i metoda powlekania
Format komórki określa, jak folia odkształca się podczas montażu. W ogniwach cylindrycznych i pryzmatycznych wykorzystuje się nawiniętą galaretowatą rolkę, więc folia musi wytrzymać niewielki promień nawijania bez pękania, a właściwością kontrolującą jest wydłużenie. Ogniwa woreczkowe wykorzystują ułożone w stos elektrody, w których folia jest przycinana na wymiar, a nie nawijana, a krytyczne właściwości zmieniają się na jakość krawędzi i płaskość. Powłokę można nakładać po jednej lub obu stronach, a dwustronna-powłoka jest standardem w przypadku elektrod ułożonych w stos i nawiniętych. Wypustki są przyspawane do krawędzi niepowlekanej folii, a materiał wypustek musi być kompatybilny z kolektorem, aby uniknąć efektów galwanicznych na styku; zgrzewanie ultradźwiękowe jest szeroko stosowane, ponieważ pozwala uniknąć-strefy wpływu ciepła podczas spawania.
| Format komórki | Zespół elektrod | Kontrolowanie właściwości folii |
|---|---|---|
| Cylindryczny | Rolada z galaretką na rany | Wydłużenie i czystość powierzchni |
| Pryzmatyczny | Zraniony lub złożony | Jednorodność wydłużenia i grubości |
| Kieszonka | Ułożone w stos | Jakość krawędzi i płaskość |
| Projekty stołów | Ranta z powłoką z wieloma-wypustkami | Wytrzymałość i dokładność wymiarowa |
Trendy grubości i gęstość energii
Ponieważ kolektor nie ma żadnej pojemności, każdy mikrometr usunięty z folii przekłada się bezpośrednio na objętość materiału aktywnego. Konstrukcje ogniw przesunięto z kolektorów o średnicy 15–20 mikronów na 10–12 mikronów, a cieńsze mierniki są nadal opracowywane w przypadku formatów wysokoenergetycznych. Granicę ustala się raczej w drodze obróbki niż elektrochemii: w miarę jak folia staje się cieńsza, ta sama bezwzględna tolerancja grubości staje się większym ułamkiem grubości, okno naprężenia na linii powlekania zwęża się, a margines zapobiegający pęknięciom wstęgi i zmarszczkom spada. Dlatego też jednorodność grubości folii i pochylenie są podawane w mikrometrach bezwzględnych, a nie tylko jako procent grubości nominalnej.
Standardy kwalifikacji i testów
Akceptacja materiału na samą folię jest zgodna z normą GB/T 36146 dotyczącą folii aluminiowej i stopów aluminium stosowanej w akumulatorach litowo-jonowych, która obejmuje skład, wymiary i właściwości mechaniczne. Na poziomie ogniwa normy IEC 62660-1, IEC 62660-2 i IEC 62660-3 obejmują testowanie wydajności, niezawodności i nadużyć wtórnych ogniw litowo-jonowych do elektrycznych pojazdów drogowych, natomiast norma IEC 62133-2 obejmuje wymagania bezpieczeństwa dotyczące przenośnych, szczelnych ogniw i akumulatorów litowych. Badania transportowe gotowych ogniw są zgodne z Podręcznikiem badań i kryteriów ONZ, część III, podsekcja 38.3. Ponieważ wewnętrzne zwarcia spowodowane wadami folii są jednym z uznanych czynników wyzwalających niekontrolowaną niekontrolowaną temperaturę, zapisy dotyczące jakości folii stanowią część łańcucha identyfikowalności ogniw wymaganego przez te normy.
Często zadawane pytania
Q:Dlaczego na katodzie stosuje się folię aluminiową, a na anodzie miedź?
Odp.: Aluminium pasywuje i pozostaje stabilne w oknie potencjału katody wynoszącym około 3,0 do 4,5 V w porównaniu z litem. Poniżej około 1,5 V warstwa tlenku jest niestabilna i stopy aluminium z litem, dlatego po stronie ujemnej stosuje się kolektor miedziany.
Q:Co powoduje korozję kolektora aluminiowego w trakcie żywotności ogniwa?
Odp.: Fluorowodór powstały z resztkowej wilgoci i fluorowanej soli elektrolitu rozpuszcza część ochronnej warstwy tlenku, odsłaniając świeży metal i rozpoczynając miejscowe wżery, które zwiększają impedancję.
Q:Jak cienki może być kolektor prądu akumulatora?
Odp.: W większości projektów komórki produkcyjne wykorzystują folię o grubości od 10 do 15 mikronów. Cieńsze grubości zwiększają gęstość energii, ale zmniejszają zakres tolerancji naprężeń, zmarszczek i pęknięć wstęgi podczas powlekania i nawijania.
Q:Czy format komórki zmienia specyfikację folii?
O: Tak. Nawinięte ogniwa cylindryczne i pryzmatyczne wymagają dużego wydłużenia, aby przetrwać promień uzwojenia, podczas gdy ogniwa woreczkowe ułożone w stosy kładą większy nacisk na jakość krawędzi i płaskość ciętej elektrody.
Q:Jakie standardy mają zastosowanie do kwalifikacji ogniw litowo-jonowych?
Odp.: IEC 62660-1, IEC 62660-2 i IEC 62660-3 dotyczą ogniw trakcyjnych, IEC 62133-2 obejmuje przenośne uszczelnione ogniwa, a UN 38.3 ma zastosowanie do testów transportowych gotowych ogniw i akumulatorów.
Q:Dlaczego tolerancja grubości folii ma większe znaczenie w zastosowaniach akumulatorowych niż w opakowaniach?
Odp.: Ciężar powłoki na jednostkę powierzchni jest ustalany na podstawie szczeliny pomiędzy głowicą powlekającą a folią, więc krok grubości przekłada się bezpośrednio na zmianę obciążenia elektrody i ostatecznie na brak równowagi komórek.