Het kathodesubstraat in een lithium-ioncel is een dunne aluminiumfolie die twee taken tegelijkertijd kan uitvoeren. Het geleidt elektronen van het actieve materiaal naar het cellipje en fungeert als de mechanische drager die de beklede elektrode bij elkaar houdt door middel van coaten, drogen, kalanderen, snijden en wikkelen. Omdat een enkel gaatje of een diktestap een coatingdefect of een celkortsluiting kan veroorzaken, wordt kathodefolie veel strenger gespecificeerd dan folie van dezelfde dikte die in verpakkingen wordt gebruikt.
Waarom aluminium en niet een ander metaal
Aluminium wordt op de positieve elektrode gebruikt omdat het een dunne natuurlijke oxidelaag vormt die het oppervlak passiveert en het metaal stabiel houdt over het bedrijfspotentiaal van een kathode, ongeveer 3,0 tot 4,5 V tegen lithium. Beneden ongeveer 1,5 V tegen lithium is dezelfde oxidelaag niet langer stabiel en begint aluminium te legeren met lithium. Daarom gebruikt de negatieve elektrode in plaats daarvan een koperen substraat. Dit elektrochemische venster is, niet alleen de kosten, de reden dat de twee elektroden verschillende collectormetalen gebruiken.
Legering Zuiverheid en Temper
Kathodefolie wordt geproduceerd uit hoge-zuiverheidskwaliteiten zoals 1060, 1070, 1085 en 1235, waarbij de samenstelling wordt gecontroleerd op EN 573-3 voor gesmeed aluminium. Zuiverheid is van belang omdat de ijzer-, koper- en siliciumrijke fasen -kathodisch zijn ten opzichte van de aluminiummatrix en fungeren als initiatieplaatsen voor putvorming tijdens het fietsen. De resterende onzuiverheidsniveaus worden dus ruim onder de niveaus gehouden die in verpakkingsfolie worden geaccepteerd. De temperatuur wordt geselecteerd op basis van het coating- en wikkelproces: H18 geeft de hoogste sterkte voor dunne diktes en is bestand tegen spanningsvariaties op de coatinglijn, terwijl zachtere temperaturen worden gekozen waar de wikkelradius krap is en de folie zich moet aanpassen zonder te barsten. De vereisten voor mechanische eigenschappen voor de afgewerkte folie volgen GB/T 36146, de Chinese standaard voor folie van aluminium en aluminiumlegeringen die worden gebruikt in lithium-ionbatterijen.
Gauge, mechanische eigenschappen en plaatweerstand
Reguliere kathodefolie wordt geleverd tussen 10 en 20 micron, waarbij 12 tot 15 micron de meeste productiecellen bedekt. De meterkeuze is een directe afweging-: dunnere folie laat meer celvolume over voor actief materiaal en verhoogt de gravimetrische energiedichtheid, maar verkleint ook de stroom-dragende dwarsdoorsnede- en verlaagt het spanningsvenster op de coatinglijn. De plaatweerstand schaalt omgekeerd evenredig met de dikte, dus een aluminiumfolie van 12 micron met een soortelijke weerstand van ongeveer 2,7 micro-ohm centimeter geeft een plaatweerstand van ongeveer 2,2 milliohm per vierkant, en het resulterende ohmse verlies moet in het celontwerp worden opgenomen. Treksterkte en rek worden gewoonlijk gespecificeerd als een op elkaar afgestemd paar, aangezien hoge sterkte zonder voldoende rek baanbreuken tijdens het opwikkelen veroorzaakt.
| Parameter | Typisch productiebereik | Procesimplicatie |
|---|---|---|
| Dikte | 10 - 20 micron | Energiedichtheid versus websterkte |
| Treksterkte | 180 MPa en hoger in H18 | Spanningscontrole op de coatinglijn |
| Verlenging | 2% en hoger | Weerstand tegen scheuren bij de wikkelradius |
| Oppervlakteruwheid Ra | 0.15 - 0.40 micron | Slurrybevochtiging en coatinghechting |
| Gaatjes | Nul geaccepteerd | Direct kortsluit-risico |
Oppervlakteconditie, scheuren en netheid
De hechting van coatings is afhankelijk van oppervlakte-energie en topografie, en niet alleen van chemische bindingen. De walserij controleert de ruwheid via de walstextuur en het passeerschema, en de convertor moet het oppervlak vrijhouden van walsolie, stof en metaalafval. Snijden is een cruciale stap omdat een braam die achterblijft op de folierand de separator tijdens het opwikkelen kan doorboren en een interne kortsluiting kan veroorzaken; De braamhoogte wordt daarom apart van de diktetolerantie gespecificeerd. Folie voor de productie van elektroden wordt verwerkt in droge ruimtes, omdat geadsorbeerd vocht reageert met het elektrolytzout en waterstoffluoride genereert, dat de passivatielaag aantast en putvorming veroorzaakt. Camber en vlakheid worden ook gecontroleerd omdat een golvend web variaties in de coatingdikte over de breedte veroorzaakt.
Gedrag op de Coatinglijn
De kathodeslurry, doorgaans een actief materiaal met een geleidend additief en een bindmiddel in een oplosmiddel, wordt op één of beide zijden van de folie aangebracht en vervolgens gedroogd. Bij het drogen wordt het web onderworpen aan thermische uitzetting en krimp door oplosmiddelverwijdering, en de folie moet die beweging opvangen zonder te kreuken. Door kalanderen wordt de coating vervolgens samengedrukt tot een beoogde dichtheid, waarbij hoge lineaire belastingen worden uitgeoefend die het substraat moet overleven zonder dat er rek optreedt. De hechting van de gedroogde coating aan de folie wordt gecontroleerd tijdens de kwalificatie, en methoden voor afpelsterkte zoals ASTM D903 worden gewoonlijk aangepast voor het testen van elektrodes. Verificatie op celniveau van de voltooide elektrode wordt uitgevoerd volgens IEC 62660 voor tractiecellen en IEC 62133-2 voor draagbare afgedichte cellen.
Veelgestelde vragen
Q:Welke dikte aluminiumfolie wordt gebruikt als kathodesubstraat?
A: De meeste productiecellen gebruiken folie van 12 tot 15 micron, terwijl het volledige commerciële bereik ongeveer 10 tot 20 micron omvat. Dunnere meters verhogen de energiedichtheid, maar verkleinen het verwerkingsvenster.
Q:Welke aluminiumlegeringen worden gebruikt voor batterijkathodefolie?
A: Hoge-zuiverheidsgraden zoals 1060, 1070, 1085 en 1235 zijn standaard. Een laag ijzer-, koper- en siliciumgehalte beperkt het aantal initiatieplaatsen voor putcorrosie.
Q:Waarom wordt de oppervlakteruwheid gespecificeerd op kathodefolie?
A: De ruwheid bepaalt hoe de slurry bevochtigt en aan het metaal verankert. Te glad en de hechting van de coating is zwak; te ruw en het gewicht van de coating wordt ongelijkmatig over de elektrode.
Q:Waarom worden gaatjes in batterijfolie afgekeurd, maar in verpakkingsfolie getolereerd?
A: Door een gaatje in een elektrodesubstraat komt blank metaal bloot te liggen dat via de separator in contact kan komen met de tegenoverliggende elektrode, waardoor een interne kortsluiting ontstaat. Verpakkingsfolie kan geïsoleerde gaatjes verdragen omdat de polymeerlagen nog steeds een barrière vormen.
Q:Welke norm heeft betrekking op aluminiumfolie voor lithium-ionbatterijen?
A: GB/T 36146 specificeert aluminium- en aluminiumlegeringsfolie voor lithium-ionbatterijen in het Chinese systeem. De eisen op celniveau worden gedekt door IEC 62660 voor tractietoepassingen en IEC 62133-2 voor draagbare cellen.
Q:Waarom moet kathodefolie in een droge ruimte worden gehanteerd?
A: Geadsorbeerd vocht reageert met het elektrolytzout en vormt waterstoffluoride, dat de beschermende oxidelaag op het aluminium aantast en tot putcorrosie van de collector leidt.