در داخل یک سلول یونی لیتیوم{0}}، ورق های الکترود تنها اجزای فلزی هستند که در تمام طول عمر با الکترولیت در تماس هستند. فویل آلومینیومی در سمت مثبت بیشتر از رسانش جریان انجام می دهد: پلت فرم مکانیکی را که ماده فعال روی آن پوشش داده شده است را مشخص می کند و پایداری آن در پتانسیل بالا چیزی است که اجازه می دهد یک کلکتور آلومینیومی در آنجا اصلاً استفاده شود. درک فویل در سطح سلول توضیح می دهد که چرا مشخصات از یک قالب به سلول دیگر بسیار متفاوت است.
عملکرد کلکتور فعلی
ذرات ماده فعال به خودی خود رسانای الکترونیکی ضعیفی هستند، بنابراین هر الکترود روی یک کلکتور فلزی پوشانده می شود که جریان را به زبانه می برد. در الکترود مثبت کلکتور آلومینیومی است. روی الکترود منفی مس است. آلومینیوم برای کاتد انتخاب می شود زیرا یک لایه اکسید طبیعی سطح را غیرفعال می کند و آن را روی پنجره عملیاتی کاتد تقریباً 3.0 تا 4.5 ولت در برابر لیتیوم ثابت نگه می دارد. در پتانسیل‌های پایین‌تر، لایه اکسید ناپایدار می‌شود، آلیاژ آلومینیوم با لیتیوم و کلکتور از بین می‌رود، که دلیل عملی آن است که الکترود منفی نمی‌تواند از آلومینیوم استفاده کند. بنابراین، هنگامی که طرح سلولی ثابت می شود، این دو فویل همیشه به عنوان یک جفت مشخص می شوند.
پایداری الکتروشیمیایی و مکانیزم های خوردگی
لایه غیرفعال در طول عمر مفیدی که در هزاران چرخه اندازه گیری می شود، تخریب ناپذیر نیست. متداول ترین مسیر تخریب، حمله فلورید هیدروژن است که در واکنش رطوبت باقیمانده با نمک الکترولیت فلوئوردار ایجاد می شود. هیدروژن فلوراید بخشی از فیلم اکسید را حل می کند و فلز تازه را در معرض دید قرار می دهد و حفره های موضعی به دنبال آن ایجاد می شود که امپدانس سلول را افزایش می دهد و در نهایت می تواند فویل را سوراخ کند. رطوبت باقیمانده نیز در طول مونتاژ سلول در سطح واکنش نشان می دهد، بنابراین حمل و نقل در اتاق خشک و رطوبت کم در الکترود پوشش داده شده به جای ترجیحات تولید، الزامات عملکردی است. سرعت خوردگی نیز تحت تأثیر سیستم حلال الکترولیت، دما، و پتانسیل نگهداری الکترود قرار می‌گیرد، به همین دلیل است که از آزمایش‌های چرخه‌ای به جای آزمایش‌های غوطه‌وری استاتیک برای واجد شرایط بودن مواد استفاده می‌شود.
فرمت سلولی و روش پوشش
قالب سلولی نحوه تغییر شکل فویل را در هنگام مونتاژ تعیین می کند. سلول‌های استوانه‌ای و منشوری از رول ژله‌ای زخمی استفاده می‌کنند، بنابراین فویل باید در شعاع سیم پیچی کوچکی بدون ترک دوام بیاورد و ازدیاد طول خاصیت کنترل‌کننده آن است. سلول‌های کیسه‌ای از الکترودهای انباشته استفاده می‌کنند، جایی که فویل به جای زخم شدن به اندازه برش داده می‌شود و خواص حیاتی به کیفیت لبه و صافی تغییر می‌کند. پوشش را می توان به یک طرف یا هر دو طرف اعمال کرد و روکش دو طرفه برای الکترودهای انباشته و زخمی استاندارد است. زبانه ها به حاشیه فویل بدون پوشش جوش داده می شوند و مواد زبانه باید با کلکتور سازگار باشد تا از اثرات گالوانیکی در اتصال جلوگیری شود. جوشکاری اولتراسونیک به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد زیرا از گرما-منطقه تحت تأثیر جوشکاری فیوژن جلوگیری می کند.
| قالب سلولی | مونتاژ الکترود | کنترل خاصیت فویل |
|---|---|---|
| استوانه ای | رول ژله زخم | ازدیاد طول و تمیزی سطح |
| منشوری | زخم یا چین خورده | یکنواختی ازدیاد طول و ضخامت |
| کیسه | انباشته شده | کیفیت لبه و صاف بودن |
| طرح های میز | زخم با الگوی پوشش چند زبانه- | قدرت و دقت ابعاد |
روند ضخامت و چگالی انرژی
از آنجایی که کلکتور ظرفیتی ندارد، هر میکرومتر برداشته شده از فویل مستقیماً به حجم ماده فعال تبدیل می شود. طرح‌های سلولی از کلکتورهای 15 تا 20 میکرونی به 10 تا 12 میکرون منتقل شده‌اند، و سنج‌های نازک‌تر برای قالب‌های{5} انرژی بالا در حال توسعه هستند. محدودیت با پردازش به جای الکتروشیمی تعیین می‌شود: با نازک‌تر شدن فویل، همان تحمل ضخامت مطلق کسر بزرگ‌تری از گیج می‌شود، پنجره کشش روی خط پوشش باریک می‌شود و حاشیه در برابر تار می‌شکند و چروک می‌شود. بنابراین یکنواختی ضخامت فویل و کامبر در میکرومتر مطلق مشخص می شود، نه تنها به عنوان درصدی از ضخامت اسمی.
استانداردهای صلاحیت و آزمون
پذیرش مواد برای خود فویل از GB/T 36146 برای فویل آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم استفاده شده در باتری‌های لیتیوم{1} یون پیروی می‌کند که ترکیب، ابعاد و خواص مکانیکی را پوشش می‌دهد. در سطح سلولی، IEC 62660-1، IEC 62660-2 و IEC 62660-3 آزمایش عملکرد، قابلیت اطمینان و سوء استفاده سلول‌های لیتیوم یون ثانویه برای وسایل نقلیه جاده‌ای الکتریکی را پوشش می‌دهند، در حالی که IEC 62133-2 الزامات ایمنی را برای سلول‌های لیتیوم مهر و موم شده قابل حمل و باتری‌ها پوشش می‌دهد. آزمایش حمل و نقل سلول‌های تمام‌شده از دستورالعمل‌های آزمایش‌ها و معیارهای سازمان ملل، بخش سوم، بخش 38.3 پیروی می‌کند. از آنجا که شورت های داخلی ناشی از نقص فویل یکی از محرک های شناخته شده فرار حرارتی است، سوابق کیفیت فویل بخشی از زنجیره ردیابی سلولی مورد نیاز این استانداردها را تشکیل می دهد.
سوالات متداول
Q:چرا روی کاتد از فویل آلومینیوم و روی آند از مس استفاده می شود؟
A: آلومینیوم غیرفعال می شود و بر روی پنجره پتانسیل کاتدی حدود 3.0 تا 4.5 ولت در برابر لیتیوم پایدار می ماند. زیر حدود 1.5 ولت لایه اکسید ناپایدار و آلیاژهای آلومینیوم با لیتیوم است، بنابراین از یک کلکتور مس در سمت منفی استفاده می شود.
Q:چه چیزی باعث خوردگی کلکتور آلومینیومی در طول عمر سلولی می شود؟
A: هیدروژن فلوراید از رطوبت باقیمانده و نمک الکترولیت فلوئوردار تشکیل شده است، بخشی از لایه اکسید محافظ را حل می کند، فلز تازه را در معرض دید قرار می دهد و حفره های موضعی شروع می شود که امپدانس را افزایش می دهد.
Q:چقدر می توان یک جمع کننده جریان باتری نازک ساخت؟
پاسخ: سلول های تولیدی از فویل 10 تا 15 میکرونی برای اکثر طرح ها استفاده می کنند. سنج های نازک تر، چگالی انرژی را افزایش می دهند، اما پنجره تحمل کشش، چین و چروک و شکستگی شبکه در طول پوشش و سیم پیچی را کاهش می دهند.
Q:آیا فرمت سلولی مشخصات فویل را تغییر می دهد؟
ج: بله. سلول‌های استوانه‌ای و منشوری زخمی برای زنده ماندن در شعاع سیم‌پیچ به ازدیاد طول نیاز دارند، در حالی که سلول‌های کیسه‌ای انباشته تاکید بیشتری بر کیفیت لبه و صاف بودن الکترود برش دارند.
Q:کدام استانداردها برای صلاحیت سلول‌های یونی لیتیوم- اعمال می‌شود؟
پاسخ: IEC 62660-1، IEC 62660-2 و IEC 62660-3 سلول های کششی را پوشش می دهد، IEC 62133-2 سلول های مهر و موم قابل حمل را پوشش می دهد و UN 38.3 برای آزمایش حمل و نقل سلول ها و باتری های تمام شده اعمال می شود.
Q:چرا تحمل ضخامت فویل در کاربردهای باتری بیشتر از بسته بندی اهمیت دارد؟
A: وزن پوشش در واحد سطح توسط شکاف بین سر پوشش و فویل تنظیم می شود، بنابراین یک مرحله ضخامت مستقیماً به تغییرات بارگذاری الکترود و در نهایت به عدم تعادل سلول منتقل می شود.