Katodovým substrátem v lithium-iontovém článku je tenká hliníková fólie, která přenáší dvě funkce současně. Vede elektrony z aktivního materiálu do poutka článku a působí jako mechanický nosič, který drží potaženou elektrodu pohromadě potahováním, sušením, kalandrováním, řezáním a navíjením. Protože jediná dírka nebo krok tloušťky může způsobit defekt povlaku nebo zkrat článku, je katodová fólie specifikována mnohem těsněji než fólie stejné tloušťky používané při balení.
Proč hliník a ne další kov
Na kladné elektrodě je použit hliník, protože tvoří tenkou přírodní oxidovou vrstvu, která pasivuje povrch a udržuje kov stabilní napříč provozním potenciálem katody, zhruba 3,0 až 4,5 V proti lithiu. Pod asi 1,5 V proti lithiu již není stejná oxidová vrstva stabilní a hliník se začíná legovat lithiem, což je důvod, proč záporná elektroda místo toho používá měděný substrát. Toto elektrochemické okno, nikoli samotná cena, je důvodem, proč tyto dvě elektrody používají různé kolektorové kovy.
Čistota a temperování slitiny
Katodová fólie se vyrábí z vysoce-třídy čistoty, jako je 1060, 1070, 1085 a 1235, se složením kontrolovaným podle EN 573-3 pro tvářený hliník. Na čistotě záleží, protože fáze bohaté na železo, měď a křemík{12}}jsou katodické vzhledem k hliníkové matrici a fungují jako iniciační místa pro důlkovou korozi během cyklování, takže hladiny zbytkových nečistot jsou udržovány hluboko pod úrovní přijatelnou v balicí fólii. Temperace se volí podle procesu potahování a navíjení: H18 poskytuje nejvyšší pevnost pro tenké měřidla a odolává kolísání napětí na potahovací lince, zatímco měkčí temperování se volí tam, kde je poloměr navíjení těsný a fólie se musí přizpůsobit bez praskání. Požadavky na mechanické vlastnosti hotové fólie se řídí GB/T 36146, čínským standardem pro fólie z hliníku a slitin hliníku používané v lithium-iontových bateriích.
Měrka, mechanické vlastnosti a plošná odolnost
Hlavní proud katodové fólie se dodává mezi 10 a 20 mikrony, přičemž 12 až 15 mikronů pokrývá většinu výrobních článků. Výběr měřidla je přímým kompromisem-: tenčí fólie ponechává větší objem buněk pro aktivní materiál a zvyšuje hustotu gravimetrické energie, ale také snižuje aktuální -nosný průřez- a snižuje napínací okénko na potahovací lince. Odpor plechu je nepřímo úměrný tloušťce, takže 12mikronová hliníková fólie s měrným odporem asi 2,7 mikro-ohm centimetru dává plošný odpor zhruba 2,2 miliohm na čtverec a výsledná ohmická ztráta musí být zahrnuta do návrhu článku. Pevnost v tahu a tažnost jsou obvykle specifikovány jako spárovaný pár, protože vysoká pevnost bez adekvátního prodloužení způsobuje přetržení pásu během navíjení.
| Parametr | Typický výrobní sortiment | Implikace procesu |
|---|---|---|
| Tloušťka | 10 - 20 mikronů | Hustota energie v porovnání s pevností sítě |
| Pevnost v tahu | 180 MPa a více v H18 | Kontrola tahu na lakovací lince |
| Prodloužení | 2 % a více | Odolnost proti praskání na poloměru vinutí |
| Drsnost povrchu Ra | 0.15 - 0.40 mikronů | Smáčení kaše a přilnavost nátěru |
| Pinholes | Nula přijata | Přímé riziko zkratu- |
Stav povrchu, rozřezání a čistota
Přilnavost povlaku závisí na povrchové energii a topografii, nikoli pouze na chemické vazbě. Dráha kontroluje drsnost pomocí textury válce a plánu průchodu a konvertor musí udržovat povrch bez oleje, prachu a kovových nečistot. Řezání je kritickým krokem, protože otřepy zanechané na okraji fólie mohou během navíjení prorazit separátor a vytvořit vnitřní zkrat; výška otřepu je proto specifikována odděleně od tolerance tloušťky. S fólií na výrobu elektrod se manipuluje v suchých prostorách, protože adsorbovaná vlhkost reaguje se solí elektrolytu a vytváří fluorovodík, který napadá pasivační vrstvu a iniciuje důlkovou korozi. Prohnutí a rovinnost jsou také kontrolovány, protože zvlněný pás způsobuje změny tloušťky povlaku po šířce.
Chování na lakovací lince
Katodová kaše, typicky aktivní materiál s vodivou přísadou a pojivem v rozpouštědle, se nanese na jednu nebo obě strany fólie a poté se suší. Sušení podrobuje síťovinu tepelné roztažnosti a smršťování po odstranění rozpouštědla a fólie se musí tomuto pohybu přizpůsobit bez mačkání. Kalandrování pak stlačuje povlak na cílovou hustotu a aplikuje vysoké lineární zatížení, které musí substrát přežít bez nastavení prodloužení. Přilnavost zaschlého povlaku k fólii se kontroluje během kvalifikace a metody pevnosti v odlupování, jako je ASTM D903, jsou běžně přizpůsobeny pro testování elektrod. Ověření úrovně buněk hotové elektrody se provádí podle IEC 62660 pro trakční články a IEC 62133-2 pro přenosné uzavřené články.
Často kladené otázky
Q:Jaká tloušťka hliníkové fólie se používá jako katodový substrát?
Odpověď: Většina výrobních buněk používá fólii o tloušťce 12 až 15 mikronů, přičemž celý komerční rozsah zahrnuje zhruba 10 až 20 mikronů. Tenčí měřidla zvyšují hustotu energie, ale zužují okno zpracování.
Q:Které hliníkové slitiny se používají pro katodovou fólii baterií?
Odpověď: Vysoce{0}}třídy čistoty, jako je 1060, 1070, 1085 a 1235, jsou standardní. Nízký obsah železa, mědi a křemíku omezuje počet iniciačních míst pro důlkovou korozi.
Q:Proč je na katodové fólii specifikována drsnost povrchu?
Odpověď: Drsnost řídí, jak se kaše smáčí a ukotvuje ke kovu. Příliš hladké a přilnavost povlaku je slabá; příliš drsné a hmotnost povlaku se stává nerovnoměrnou napříč elektrodou.
Q:Proč jsou dírky ve fólii baterie odmítnuty, ale v obalové fólii jsou tolerovány?
Odpověď: Dírka v substrátu elektrody odhaluje obnažený kov, který se může dostat do kontaktu s opačnou elektrodou přes separátor a vytváří vnitřní zkrat. Obalová fólie může tolerovat izolované dírky, protože polymerní vrstvy stále poskytují bariéru.
Q:Která norma se vztahuje na hliníkovou fólii pro lithium-iontové baterie?
Odpověď: GB/T 36146 specifikuje hliníkovou fólii a fólii z hliníkové slitiny pro lithium-iontové baterie v čínském systému. Požadavky na úroveň článků jsou pokryty IEC 62660 pro trakční aplikace a IEC 62133-2 pro přenosné články.
Q:Proč se musí s katodovou fólií manipulovat v suché místnosti?
Odpověď: Adsorbovaná vlhkost reaguje se solí elektrolytu za vzniku fluorovodíku, který napadá ochrannou vrstvu oxidu na hliníku a vede k důlkové korozi kolektoru.