فویل آلومینیومی برای زیرلایه کاتد باتری: آلیاژ، دما و سطح مورد نیاز

بستر کاتد در یک سلول یونی لیتیومی، یک فویل آلومینیومی نازک است که دو کار را به طور همزمان انجام می دهد. الکترون ها را از ماده فعال به زبانه سلول هدایت می کند و به عنوان حامل مکانیکی عمل می کند که الکترود پوشش داده شده را از طریق پوشش دهی، خشک کردن، کلندرینگ، شکاف و سیم پیچی کنار هم نگه می دارد. از آنجایی که یک سوراخ کوچک یا یک مرحله ضخامت می تواند باعث نقص پوشش یا کوتاهی سلول شود، فویل کاتد بسیار محکم تر از فویل همان سنج مورد استفاده در بسته بندی مشخص می شود.

چرا آلومینیوم و نه فلز دیگر؟

آلومینیوم روی الکترود مثبت استفاده می‌شود، زیرا یک لایه نازک اکسید طبیعی را تشکیل می‌دهد که سطح را غیرفعال می‌کند و فلز را در پتانسیل عملیاتی یک کاتد، تقریباً 3.0 تا 4.5 ولت در برابر لیتیوم، پایدار نگه می‌دارد. کمتر از حدود 1.5 ولت در برابر لیتیوم، همان لایه اکسید دیگر پایدار نیست و آلومینیوم شروع به آلیاژ شدن با لیتیوم می کند، به همین دلیل است که الکترود منفی به جای آن از یک بستر مسی استفاده می کند. این پنجره الکتروشیمیایی، نه به تنهایی هزینه، دلیلی است که دو الکترود از فلزات کلکتور مختلف استفاده می کنند.

خلوص آلیاژ و مزاج

فویل کاتد از درجه خلوص بالا مانند 1060، 1070، 1085 و 1235 تولید می‌شود که ترکیب آن با استاندارد EN 573-3 برای آلومینیوم فرفورژه کنترل می‌شود. خلوص اهمیت دارد زیرا فازهای غنی از آهن، مس و سیلیکون{12}}نسبت به ماتریس آلومینیومی کاتدی هستند و به عنوان محل شروع حفره زدن در حین دوچرخه‌سواری عمل می‌کنند، بنابراین سطوح ناخالصی باقی‌مانده بسیار کمتر از آنچه در فویل بسته‌بندی پذیرفته می‌شود نگه داشته می‌شود. مزاج در برابر فرآیند پوشش و سیم پیچی انتخاب می شود: H18 بالاترین استحکام را برای گیج های نازک می دهد و در برابر تغییرات کششی روی خط پوشش مقاومت می کند، در حالی که در جایی که شعاع سیم پیچی تنگ است و فویل باید بدون ترک خوردگی مطابقت داشته باشد، حالت نرم تر انتخاب می شود. الزامات خواص مکانیکی برای فویل تمام شده از GB/T 36146 پیروی می کند، استاندارد چینی برای فویل آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون.

گیج، خواص مکانیکی و مقاومت ورق

فویل کاتد اصلی بین 10 تا 20 میکرون عرضه می شود که 12 تا 15 میکرون بیشتر سلول های تولیدی را پوشش می دهد. انتخاب گیج یک معامله مستقیم است-: فویل نازک‌تر حجم سلول بیشتری را برای مواد فعال باقی می‌گذارد و چگالی انرژی ثقلی را افزایش می‌دهد، اما همچنین مقطع -حامل- جریان را کاهش می‌دهد و پنجره کشش روی خط پوشش را کاهش می‌دهد. مقاومت ورق با ضخامت معکوس می شود، بنابراین یک فویل آلومینیومی 12 میکرونی با مقاومت حدود 2.7 میکرو اهم سانتی متر مقاومت ورق تقریباً 2.2 میلی اهم در هر مربع ایجاد می کند و افت اهمی حاصل باید در طرح سلول گنجانده شود. استحکام کششی و ازدیاد طول معمولاً به عنوان یک جفت منطبق مشخص می‌شوند، زیرا استحکام بالا بدون ازدیاد طول کافی باعث شکستن شبکه در طول سیم‌پیچ می‌شود.

وضعیت سطح، شکاف و تمیزی

چسبندگی پوشش به انرژی سطح و توپوگرافی بستگی دارد، نه به پیوند شیمیایی. آسیاب زبری را از طریق بافت رول و برنامه عبور کنترل می کند و مبدل باید سطح را عاری از روغن نورد، گرد و غبار و زباله های فلزی نگه دارد. بریدگی یک مرحله حیاتی است زیرا سوراخی که روی لبه فویل باقی مانده می تواند جداکننده را در حین سیم پیچی سوراخ کرده و یک اتصال کوتاه داخلی ایجاد کند. بنابراین ارتفاع سوراخ به طور جداگانه از تحمل ضخامت مشخص می شود. فویل برای تولید الکترود در اتاق‌های خشک نگهداری می‌شود، زیرا رطوبت جذب شده با نمک الکترولیت واکنش می‌دهد و هیدروژن فلوراید تولید می‌کند که به لایه غیرفعال حمله می‌کند و باعث ایجاد حفره می‌شود. کامبر و صافی نیز کنترل می شوند زیرا یک تار مواج باعث تغییر ضخامت پوشش در عرض می شود.

رفتار در خط پوشش

دوغاب کاتد، به طور معمول یک ماده فعال با یک افزودنی رسانا و یک اتصال دهنده در یک حلال، به یک یا هر دو طرف فویل اعمال می شود و سپس خشک می شود. خشک کردن تار را در معرض انبساط حرارتی و انقباض حذف حلال قرار می دهد و فویل باید این حرکت را بدون چروک شدن انجام دهد. سپس کلندرینگ پوشش را به چگالی هدف فشرده می‌کند و بارهای خطی بالایی را اعمال می‌کند که بستر باید بدون ایجاد کشیدگی دوام بیاورد. چسبندگی پوشش خشک شده به فویل در طول صلاحیت بررسی می شود و روش های استحکام پوسته مانند ASTM D903 معمولاً برای آزمایش الکترود اقتباس می شوند. تأیید سطح سلولی الکترود تمام شده بر اساس استاندارد IEC 62660 برای سلول های کششی و IEC 62133-2 برای سلول های آب بندی شده قابل حمل انجام می شود.

سوالات متداول

Q:چه ضخامتی از فویل آلومینیومی به عنوان بستر کاتد استفاده می شود؟
پاسخ: اکثر سلول های تولیدی از فویل 12 تا 15 میکرونی استفاده می کنند که محدوده تجاری کامل آن تقریباً 10 تا 20 میکرون است. سنج های نازک تر، چگالی انرژی را افزایش می دهند اما پنجره پردازش را باریک می کنند.

Q:از کدام آلیاژهای آلومینیوم برای فویل کاتد باتری استفاده می شود؟
پاسخ: درجه خلوص-بالا مانند 1060، 1070، 1085 و 1235 استاندارد هستند. محتوای کم آهن، مس و سیلیکون تعداد محل های شروع خوردگی حفره ای را محدود می کند.

Q:چرا زبری سطح روی فویل کاتد مشخص شده است؟
A: زبری نحوه خیس شدن و چسباندن دوغاب به فلز را کنترل می کند. بیش از حد صاف و چسبندگی پوشش ضعیف است. بیش از حد زبر است و وزن پوشش در سراسر الکترود ناهموار می شود.

Q:چرا سوراخ های سوزن در فویل باتری رد می شود اما در فویل بسته بندی تحمل می شود؟
پاسخ: یک سوراخ سوزنی در بستر الکترود، فلز لخت را در معرض دید قرار می‌دهد که می‌تواند از طریق جداکننده با الکترود مخالف تماس پیدا کند و یک اتصال کوتاه داخلی ایجاد کند. فویل بسته‌بندی می‌تواند سوراخ‌های جدا شده را تحمل کند زیرا لایه‌های پلیمری همچنان یک مانع ایجاد می‌کنند.

Q:کدام استاندارد فویل آلومینیومی برای باتری‌های لیتیوم{0} یونی را پوشش می‌دهد؟
پاسخ: GB/T 36146 فویل آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم را برای باتری‌های لیتیوم- در سیستم چینی مشخص می‌کند. الزامات سطح سلولی توسط IEC 62660 برای کاربردهای کششی و IEC 62133-2 برای سلول های قابل حمل پوشش داده شده است.

Q:چرا باید فویل کاتدی را در اتاق خشک نگهداری کرد؟
پاسخ: رطوبت جذب شده با نمک الکترولیت واکنش می دهد و هیدروژن فلوراید تشکیل می دهد که به لایه اکسید محافظ روی آلومینیوم حمله می کند و منجر به خوردگی حفره ای کلکتور می شود.