In een lithium{0}}ioncel zijn de elektrodefolies de enige metalen onderdelen die gedurende de hele levensduur in contact blijven met de elektrolyt. De aluminiumfolie aan de positieve kant doet meer dan alleen stroom geleiden: het definieert het mechanische platform waarop het actieve materiaal wordt gecoat, en de stabiliteit bij een hoog potentieel maakt het mogelijk om daar überhaupt een aluminium collector te gebruiken. Het begrijpen van de folie op celniveau verklaart waarom de specificatie zo sterk verschilt van het ene celformaat tot het andere.
De huidige collectorfunctie
Actieve materiaaldeeltjes zijn op zichzelf slechte elektronische geleiders, dus elke elektrode is bedekt met een metalen collector die stroom naar het lipje voert. Op de positieve elektrode is de collector van aluminium; op de negatieve elektrode is het koper. Voor de kathode is aluminium gekozen omdat een natuurlijke oxidelaag het oppervlak passiveert en stabiel houdt over het werkvenster van de kathode van ongeveer 3,0 tot 4,5 V ten opzichte van lithium. Bij lagere spanningen wordt de oxidelaag onstabiel, aluminiumlegeringen met lithium en de collector worden vernietigd, wat de praktische reden is dat de negatieve elektrode geen aluminium kan gebruiken. De twee folies worden daarom altijd als paar gespecificeerd als een celontwerp wordt vastgelegd.
Elektrochemische stabiliteit en corrosiemechanismen
De passivatielaag is niet onverwoestbaar gedurende een levensduur gemeten in duizenden cycli. De meest voorkomende afbraakroute is de aantasting door waterstoffluoride, dat ontstaat wanneer restvocht reageert met het gefluoreerde elektrolytzout. Waterstoffluoride lost een deel van de oxidefilm op en legt vers metaal bloot, waarna plaatselijke putjes ontstaan, waardoor de celimpedantie toeneemt en uiteindelijk de folie kan worden geperforeerd. Resterend vocht reageert ook aan het oppervlak tijdens de celassemblage, dus droge-hantering in de kamer en een laag vochtgehalte in de gecoate elektrode zijn eerder functionele vereisten dan productievoorkeuren. De corrosiesnelheid wordt ook beïnvloed door het elektrolyt-oplosmiddelsysteem, door de temperatuur en door de potentiaal waarop de elektrode wordt gehouden. Daarom worden cyclustests gebruikt in plaats van statische immersietests om het materiaal te kwalificeren.
Celformaat en coatingmethode
Het celformaat bepaalt hoe de folie tijdens de montage wordt vervormd. Cilindrische en prismatische cellen gebruiken een gewikkelde geleirol, dus de folie moet een kleine opwindradius overleven zonder te barsten, en rek is de controlerende eigenschap. Zakcellen gebruiken gestapelde elektroden, waarbij de folie op maat wordt gesneden in plaats van opgewonden en de kritische eigenschappen verschuiven naar randkwaliteit en vlakheid. Coating kan aan één of beide zijden worden aangebracht, en dubbelzijdig-zijdige coating is standaard voor gestapelde en gewikkelde elektroden. Lipjes worden aan de ongecoate folierand gelast en het lipmateriaal moet compatibel zijn met de collector om galvanische effecten bij de verbinding te voorkomen; ultrasoon lassen wordt veel gebruikt omdat het de door hitte-beïnvloede zone van het smeltlassen vermijdt.
| Celformaat | Elektrode montage | Controle van folie-eigendom |
|---|---|---|
| Cilindrisch | Gewikkelde geleirol | Rek en oppervlaktereinheid |
| Prismatisch | Opgewikkeld of gevouwen | Gelijkmatigheid van rek en dikte |
| Zakje | Gestapeld | Randkwaliteit en vlakheid |
| Tafelloze ontwerpen | Wond met coatingpatroon met meerdere-tabs | Sterkte en maatnauwkeurigheid |
Diktetrends en energiedichtheid
Omdat de collector geen capaciteit heeft, vertaalt elke micrometer die uit de folie wordt verwijderd zich direct in volume voor actief materiaal. Celontwerpen zijn verschoven van collectoren van 15 naar 20 micron naar 10 tot 12 micron, en er blijven dunnere meters in ontwikkeling voor formaten met hoge- energie. De limiet wordt bepaald door verwerking in plaats van door elektrochemie: naarmate de folie dunner wordt, wordt dezelfde absolute diktetolerantie een groter deel van de dikte, wordt het spanningsvenster op de coatinglijn smaller en wordt de marge tegen baanbreuken en rimpels kleiner. De uniformiteit van de foliedikte en de welving worden daarom gespecificeerd in absolute micrometers, en niet alleen als een percentage van de nominale dikte.
Kwalificatie- en testnormen
De materiaalacceptatie voor de folie zelf volgt GB/T 36146 voor folie van aluminium en aluminiumlegeringen die worden gebruikt in lithium--ionbatterijen, wat de samenstelling, afmetingen en mechanische eigenschappen betreft. Op celniveau hebben IEC 62660-1, IEC 62660-2 en IEC 62660-3 betrekking op prestatie-, betrouwbaarheids- en misbruiktests van secundaire lithium-ioncellen voor elektrische wegvoertuigen, terwijl IEC 62133-2 de veiligheidseisen voor draagbare, afgedichte lithiumcellen en -batterijen dekt. Het transporttesten van voltooide cellen volgen het UN Manual of Tests and Criteria, Part III, subsectie 38.3. Omdat interne kortsluiting veroorzaakt door foliedefecten een van de erkende oorzaken van thermische overstroming is, maken foliekwaliteitsregistraties deel uit van de celtraceerbaarheidsketen die door deze normen wordt vereist.
Veelgestelde vragen
Q:Waarom wordt aluminiumfolie op de kathode en koper op de anode gebruikt?
A: Aluminium passiveert en blijft stabiel over het kathodepotentiaalvenster van ongeveer 3,0 tot 4,5 V ten opzichte van lithium. Beneden ongeveer 1,5 V is de oxidelaag onstabiel en aluminiumlegeringen met lithium, dus aan de negatieve kant wordt een koperen collector gebruikt.
Q:Wat veroorzaakt corrosie van de aluminiumcollector tijdens de levensduur van de cel?
A: Waterstoffluoride gevormd uit restvocht en het gefluoreerde elektrolytzout lost een deel van de beschermende oxidelaag op, waardoor vers metaal bloot komt te liggen en plaatselijke putjes ontstaan die de impedantie verhogen.
Q:Hoe dun kan een batterijstroomcollector worden gemaakt?
A: Productiecellen gebruiken voor de meeste ontwerpen folie van 10 tot 15 micron. Dunnere meters verhogen de energiedichtheid, maar verkleinen het tolerantievenster voor spanning, plooien en baanbreuken tijdens het coaten en opwikkelen.
Q:Verandert het celformaat de foliespecificatie?
EEN: Ja. Gewikkelde cilindrische en prismatische cellen vereisen een hoge rek om de wikkelradius te overleven, terwijl gestapelde buidelcellen meer nadruk leggen op de randkwaliteit en vlakheid van de gesneden elektrode.
Q:Welke normen zijn van toepassing op de kwalificatie van lithium-ioncellen?
A: IEC 62660-1, IEC 62660-2 en IEC 62660-3 hebben betrekking op tractiecellen, IEC 62133-2 heeft betrekking op draagbare afgedichte cellen, en UN 38.3 is van toepassing op transporttests van voltooide cellen en batterijen.
Q:Waarom is tolerantie voor foliedikte belangrijker bij batterijtoepassingen dan bij verpakkingen?
A: Het coatinggewicht per oppervlakte-eenheid wordt bepaald door de opening tussen de coatingkop en de folie, zodat een diktestap direct wordt overgedragen in variaties in de elektrodebelasting en uiteindelijk in celonbalans.