Μέσα σε ένα στοιχείο ιόντων λιθίου-, τα φύλλα ηλεκτροδίων είναι τα μόνα μεταλλικά εξαρτήματα που παραμένουν σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη για όλη τη διάρκεια ζωής. Το φύλλο αλουμινίου στη θετική πλευρά κάνει περισσότερα από το να μεταφέρει ρεύμα: καθορίζει τη μηχανική πλατφόρμα στην οποία επικαλύπτεται το ενεργό υλικό και η σταθερότητά του σε υψηλά δυναμικά είναι αυτή που επιτρέπει τη χρήση ενός συλλέκτη αλουμινίου εκεί. Η κατανόηση του φύλλου σε επίπεδο κελιού εξηγεί γιατί οι προδιαγραφές διαφέρουν τόσο πολύ από τη μια μορφή κελιού στην άλλη.
Η τρέχουσα λειτουργία συλλέκτη
Τα σωματίδια ενεργού υλικού είναι από μόνα τους κακοί ηλεκτρονικοί αγωγοί, επομένως κάθε ηλεκτρόδιο επικαλύπτεται σε έναν μεταλλικό συλλέκτη που μεταφέρει ρεύμα στη γλωττίδα. Στο θετικό ηλεκτρόδιο ο συλλέκτης είναι αλουμινίου. στο αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι χαλκός. Το αλουμίνιο επιλέγεται για την κάθοδο επειδή ένα φυσικό στρώμα οξειδίου παθητικοποιεί την επιφάνεια και την κρατά σταθερή πάνω από το παράθυρο λειτουργίας της καθόδου περίπου 3,0 έως 4,5 V έναντι του λιθίου. Σε χαμηλότερα δυναμικά το στρώμα οξειδίου γίνεται ασταθές, τα κράματα αλουμινίου με λίθιο και ο συλλέκτης καταστρέφεται, πράγμα που είναι ο πρακτικός λόγος που το αρνητικό ηλεκτρόδιο δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει αλουμίνιο. Επομένως, τα δύο φύλλα προσδιορίζονται πάντα ως ζεύγος όταν στερεώνεται ένα σχέδιο κυψέλης.
Μηχανισμοί Ηλεκτροχημικής Σταθερότητας και Διάβρωσης
Το στρώμα παθητικοποίησης δεν είναι άφθαρτο κατά τη διάρκεια ζωής που μετράται σε χιλιάδες κύκλους. Η πιο κοινή οδός αποικοδόμησης είναι η επίθεση από υδροφθόριο, το οποίο σχηματίζεται όταν η υπολειμματική υγρασία αντιδρά με το φθοριούχο άλας ηλεκτρολύτη. Το υδροφθόριο διαλύει μέρος της μεμβράνης οξειδίου και εκθέτει φρέσκο μέταλλο, και ακολουθεί εντοπισμένη οπή, η οποία αυξάνει την αντίσταση του κυττάρου και μπορεί τελικά να διατρήσει το φύλλο. Η υπολειπόμενη υγρασία αντιδρά επίσης στην επιφάνεια κατά τη συναρμολόγηση της κυψέλης, επομένως ο στεγνός-χειρισμός στο δωμάτιο και η χαμηλή περιεκτικότητα σε υγρασία στο επικαλυμμένο ηλεκτρόδιο αποτελούν λειτουργικές απαιτήσεις και όχι προτιμήσεις παραγωγής. Ο ρυθμός διάβρωσης επηρεάζεται επίσης από το σύστημα διαλυτών ηλεκτρολύτη, από τη θερμοκρασία και από το δυναμικό στο οποίο διατηρείται το ηλεκτρόδιο, γι' αυτό χρησιμοποιούνται δοκιμές κύκλου αντί για στατικές δοκιμές εμβάπτισης για τον προσδιορισμό του υλικού.
Μορφή κυψέλης και μέθοδος επίστρωσης
Η μορφή κυψέλης καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο παραμορφώνεται το φύλλο κατά τη συναρμολόγηση. Οι κυλινδρικές και πρισματικές κυψέλες χρησιμοποιούν ένα τυλιγμένο ρολό ζελέ, έτσι το φύλλο πρέπει να επιβιώσει σε μια μικρή ακτίνα περιέλιξης χωρίς ρωγμές και η επιμήκυνση είναι η ιδιότητα ελέγχου. Οι κυψέλες σακουλών χρησιμοποιούν στοιβαγμένα ηλεκτρόδια, όπου το φύλλο κόβεται σε μέγεθος αντί να τυλίγεται και οι κρίσιμες ιδιότητες μετατοπίζονται στην ποιότητα και την επιπεδότητα των άκρων. Η επίστρωση μπορεί να εφαρμοστεί στη μία πλευρά ή και στις δύο πλευρές και η επίστρωση διπλής-όψης είναι στάνταρ για στοιβαγμένα και τυλιγμένα ηλεκτρόδια. Οι γλωττίδες συγκολλούνται στο περιθώριο του μη επικαλυμμένου φύλλου και το υλικό της γλωττίδας πρέπει να είναι συμβατό με τον συλλέκτη για να αποφευχθούν γαλβανικές επιδράσεις στον σύνδεσμο. Η συγκόλληση με υπερήχους χρησιμοποιείται ευρέως επειδή αποφεύγει την επηρεαζόμενη από τη θερμότητα ζώνη συγκόλλησης με σύντηξη.
| Μορφή κελιού | Συναρμολόγηση ηλεκτροδίων | Έλεγχος ιδιότητας φύλλου |
|---|---|---|
| Κυλινδρικός | Ρολό ζελέ πληγής | Επιμήκυνση και καθαριότητα επιφάνειας |
| Πρισματικός | Πληγή ή διπλωμένη | Ομοιομορφία επιμήκυνσης και πάχους |
| Σακούλα | Στοιβάζονται | Ποιότητα άκρων και επιπεδότητα |
| Σχέδια χωρίς τραπέζι | Πληγή με μοτίβο επικάλυψης πολλαπλών-γλωσσίδων | Αντοχή και ακρίβεια διαστάσεων |
Τάσεις πάχους και ενεργειακή πυκνότητα
Επειδή ο συλλέκτης δεν έχει χωρητικότητα, κάθε μικρόμετρο που αφαιρείται από το φύλλο μεταφράζεται απευθείας σε όγκο για το ενεργό υλικό. Τα σχέδια κυψελών έχουν μετακινηθεί από συλλέκτες 15 σε 20 micron σε 10 έως 12 micron, και οι λεπτότεροι μετρητές εξακολουθούν να αναπτύσσονται για μορφές υψηλής ενέργειας-. Το όριο τίθεται με επεξεργασία και όχι με ηλεκτροχημεία: καθώς το φύλλο γίνεται λεπτότερο, η ίδια απόλυτη ανοχή πάχους γίνεται μεγαλύτερο κλάσμα του μετρητή, το παράθυρο τάνυσης στη γραμμή επίστρωσης στενεύει και το περιθώριο έναντι του ιστού σπάει και πέφτει. Επομένως, η ομοιομορφία του πάχους του φύλλου και η κύρτωση καθορίζονται σε απόλυτα μικρόμετρα, όχι μόνο ως ποσοστό του ονομαστικού πάχους.
Πρότυπα προσόντων και δοκιμών
Η αποδοχή υλικού για το ίδιο το φύλλο ακολουθεί το GB/T 36146 για το φύλλο αλουμινίου και κράματος αλουμινίου που χρησιμοποιούνται σε μπαταρίες ιόντων λιθίου-, το οποίο καλύπτει τη σύνθεση, τις διαστάσεις και τις μηχανικές ιδιότητες. Σε επίπεδο κυψέλης, τα IEC 62660-1, IEC 62660-2 και IEC 62660-3 καλύπτουν τις δοκιμές απόδοσης, αξιοπιστίας και κατάχρησης δευτερευόντων κυψελών ιόντων λιθίου για ηλεκτρικά οδικά οχήματα, ενώ το IEC 62133-2 καλύπτει απαιτήσεις ασφαλείας για φορητές σφραγισμένες κυψέλες λιθίου και μπαταρίες. Η δοκιμή μεταφοράς τελικών κυττάρων ακολουθεί το Εγχειρίδιο δοκιμών και κριτηρίων του ΟΗΕ, Μέρος III, υποενότητα 38.3. Επειδή τα εσωτερικά σορτς που προκαλούνται από ελαττώματα φύλλου είναι ένας από τους αναγνωρισμένους παράγοντες ενεργοποίησης της θερμικής διαφυγής, τα αρχεία ποιότητας του φύλλου αποτελούν μέρος της αλυσίδας ιχνηλασιμότητας κυψελών που απαιτείται από αυτά τα πρότυπα.
Συχνές Ερωτήσεις
Q:Γιατί χρησιμοποιείται αλουμινόχαρτο στην κάθοδο και χαλκός στην άνοδο;
Α: Το αλουμίνιο παθητικοποιείται και παραμένει σταθερό πάνω από το παράθυρο δυναμικού καθόδου περίπου 3,0 έως 4,5 V έναντι του λιθίου. Κάτω από περίπου 1,5 V το στρώμα οξειδίου είναι ασταθές και τα κράματα αλουμινίου με λίθιο, επομένως χρησιμοποιείται συλλέκτης χαλκού στην αρνητική πλευρά.
Q:Τι προκαλεί τη διάβρωση του συλλέκτη αλουμινίου κατά τη διάρκεια της ζωής των κυττάρων;
Α: Το υδροφθόριο που σχηματίζεται από την υπολειμματική υγρασία και το φθοριούχο άλας ηλεκτρολύτη διαλύει μέρος της προστατευτικής στιβάδας του οξειδίου, εκθέτοντας φρέσκο μέταλλο και αρχίζοντας εντοπισμένο κοίλωμα που αυξάνει την αντίσταση.
Q:Πόσο λεπτός μπορεί να κατασκευαστεί ένας συλλέκτης ρεύματος μπαταρίας;
Α: Οι κυψέλες παραγωγής χρησιμοποιούν φύλλο 10 έως 15 micron για τα περισσότερα σχέδια. Οι λεπτότεροι μετρητές αυξάνουν την ενεργειακή πυκνότητα αλλά μειώνουν το παράθυρο ανοχής για τάνυση, ζάρες και σπασίματα ιστού κατά την επίστρωση και την περιέλιξη.
Q:Αλλάζει η μορφή κελιού τις προδιαγραφές του φύλλου;
Α: Ναι. Οι κυλινδρικές και πρισματικές κυψέλες των πληγών απαιτούν μεγάλη επιμήκυνση για να επιβιώσουν στην ακτίνα περιέλιξης, ενώ οι συσσωρευμένες κυψέλες θήκης δίνουν μεγαλύτερη έμφαση στην ποιότητα των άκρων και την επιπεδότητα του ηλεκτροδίου κοπής.
Q:Ποια πρότυπα ισχύουν για την πιστοποίηση κυψελών ιόντων λιθίου-;
A: Τα πρότυπα IEC 62660-1, IEC 62660-2 και IEC 62660-3 καλύπτουν τις κυψέλες έλξης, το IEC 62133-2 καλύπτει φορητές σφραγισμένες κυψέλες και το UN 38.3 ισχύει για τη δοκιμή μεταφοράς τελικών στοιχείων και μπαταριών.
Q:Γιατί η ανοχή στο πάχος του φύλλου έχει μεγαλύτερη σημασία στις εφαρμογές της μπαταρίας παρά στη συσκευασία;
Α: Το βάρος επίστρωσης ανά μονάδα επιφάνειας καθορίζεται από το κενό μεταξύ της κεφαλής επίστρωσης και του φύλλου, έτσι ένα βήμα πάχους μεταφέρεται απευθείας στη διακύμανση της φόρτωσης του ηλεκτροδίου και τελικά στην ανισορροπία της κυψέλης.