Вътре в литиево-йонна клетка електродните фолиа са единствените метални компоненти, които остават в контакт с електролита през целия експлоатационен живот. Алуминиевото фолио от положителната страна прави нещо повече от провеждане на ток: то определя механичната платформа, върху която е покрит активният материал, и неговата стабилност при висок потенциал е това, което позволява алуминиевият колектор да бъде използван там изобщо. Разбирането на фолиото на ниво клетка обяснява защо спецификацията се различава толкова много от един формат на клетка до друг.
Функция Токосъбирач
Частиците на активния материал сами по себе си са лоши електронни проводници, така че всеки електрод е покрит върху метален колектор, който пренася ток към раздела. На положителния електрод колекторът е алуминиев; на отрицателния електрод е меден. Алуминият е избран за катода, тъй като слой от естествен оксид пасивира повърхността и я държи стабилна над работния прозорец на катода от приблизително 3,0 до 4,5 V срещу литий. При по-ниски потенциали оксидният слой става нестабилен, алуминиевите сплави с литий и колекторът се разрушават, което е практическата причина отрицателният електрод да не може да използва алуминий. Следователно двете фолиа винаги се определят като двойка, когато дизайнът на клетката е фиксиран.
Електрохимична стабилност и корозионни механизми
Пасивиращият слой не е неразрушим през експлоатационния живот, измерен в хиляди цикли. Най-често срещаният път на разграждане е атака от флуороводород, който се образува, когато остатъчната влага реагира с флуорираната електролитна сол. Флуороводородът разтваря част от оксидния филм и излага пресен метал и следва локализиран питинг, който повишава импеданса на клетката и в крайна сметка може да перфорира фолиото. Остатъчната влага също реагира на повърхността по време на сглобяването на клетката, така че боравенето със сухо-помещение и ниското съдържание на влага в покрития електрод са функционални изисквания, а не производствени предпочитания. Скоростта на корозия също се влияе от системата от електролитни разтворители, от температурата и от потенциала, при който се държи електродът, поради което за квалифициране на материала се използват циклични тестове, а не статични тестове с потапяне.
Клетъчен формат и метод на покритие
Форматът на клетката определя как фолиото се деформира по време на монтажа. Цилиндричните и призматичните клетки използват навита желеобразна ролка, така че фолиото трябва да издържи на малък радиус на навиване, без да се напука, а удължението е контролиращото свойство. Пауч клетките използват подредени електроди, при които фолиото се нарязва по размер, а не се навива и критичните свойства се изместват към качеството на ръба и плоскостта. Покритието може да се нанесе върху едната или двете страни, а двустранното покритие е стандартно за подредени и навити електроди. Езиците са заварени към непокрития ръб на фолиото и материалът на езичето трябва да е съвместим с колектора, за да се избегнат галванични ефекти при съединението; ултразвуковото заваряване се използва широко, тъй като избягва термично-засегнатата зона при заваряване чрез стопяване.
| Формат на клетката | Монтаж на електроди | Контролиране на свойствата на фолиото |
|---|---|---|
| Цилиндрична | Навито желе руло | Удължение и чистота на повърхността |
| Призматичен | Рана или сгъната | Еднородност на удължението и дебелината |
| торбичка | Подредени | Качество на ръбовете и гладкост |
| Дизайни без маса | Рана с шарка на покритие с много -езичета | Якост и точност на размерите |
Тенденции в дебелината и енергийна плътност
Тъй като колекторът няма капацитет, всеки микрометър, отстранен от фолиото, се превръща директно в обем за активен материал. Дизайнът на клетките премина от 15 до 20 микрона колектори към 10 до 12 микрона, а по-тънките измервателни уреди остават в процес на разработка за високо-енергийни формати. Ограничението се определя от обработката, а не от електрохимията: тъй като фолиото става по-тънко, същият абсолютен толеранс на дебелината става по-голяма част от габарита, прозорецът на опън на линията на покритие се стеснява и маржът срещу счупвания на платното и гънки пада. Еднородността на дебелината на фолиото и наклонът се определят в абсолютни микрометри, а не само като процент от номиналната дебелина.
Стандарти за квалификация и тестове
Приемането на материала за самото фолио следва GB/T 36146 за фолио от алуминий и алуминиева сплав, използвано в литиево-йонни батерии, което обхваща състава, размерите и механичните свойства. На клетъчно ниво IEC 62660-1, IEC 62660-2 и IEC 62660-3 обхващат тестове за производителност, надеждност и злоупотреба на вторични литиево-йонни клетки за електрически пътни превозни средства, докато IEC 62133-2 покрива изисквания за безопасност за преносими запечатани литиеви клетки и батерии. Тестването при транспортиране на готови клетки следва Ръководството на ООН за тестове и критерии, част III, подраздел 38.3. Тъй като вътрешните къси съединения, причинени от дефекти на фолиото, са един от признатите тригери за термично отклонение, записите за качество на фолиото са част от веригата за проследяване на клетките, изисквана от тези стандарти.
Често задавани въпроси
Q:Защо се използва алуминиево фолио върху катода и мед върху анода?
A: Алуминият пасивира и остава стабилен през прозореца на катодния потенциал от около 3,0 до 4,5 V спрямо литий. Под около 1,5 V оксидният слой е нестабилен и алуминиевите сплави с литий, така че се използва меден колектор от отрицателната страна.
Q:Какво причинява корозия на алуминиевия колектор по време на живота на клетката?
О: Флуороводородът, образуван от остатъчната влага и флуорираната електролитна сол, разтваря част от защитния оксиден слой, излагайки свеж метал и започвайки локализирана питинг, която повишава импеданса.
Q:Колко тънък може да се направи токоприемник на батерията?
О: Производствените клетки използват фолио от 10 до 15 микрона за повечето дизайни. По-тънките габарити увеличават енергийната плътност, но намаляват прозореца на толеранс за напрежение, бръчки и скъсвания на платното по време на нанасяне на покритие и навиване.
Q:Форматът на клетката променя ли спецификацията на фолиото?
A: Да. Навитите цилиндрични и призматични клетки изискват голямо удължение, за да оцелеят при радиуса на навиване, докато подредените пауч клетки поставят по-голям акцент върху качеството на ръба и плоскостта на изрязания електрод.
Q:Кои стандарти се прилагат за квалификацията на литиево-йонни клетки?
A: IEC 62660-1, IEC 62660-2 и IEC 62660-3 обхващат тягови клетки, IEC 62133-2 обхваща преносими запечатани клетки, а UN 38.3 се прилага за тестване при транспортиране на готови клетки и батерии.
Q:Защо толерансът на дебелината на фолиото има повече значение при приложенията на батериите, отколкото при опаковките?
О: Теглото на покритието на единица площ се определя от разстоянието между покриващата глава и фолиото, така че стъпката на дебелината се прехвърля директно във вариацията на натоварването на електрода и евентуално в дисбаланса на клетката.