Katódový substrát v lítium-iónovom článku je tenká hliníková fólia, ktorá nesie dve úlohy súčasne. Vedie elektróny z aktívneho materiálu do jazýčka článku a pôsobí ako mechanický nosič, ktorý drží potiahnutú elektródu pohromade poťahovaním, sušením, kalandrovaním, rezaním a navíjaním. Pretože jediná dierka alebo hrúbkový krok môže spôsobiť defekt povlaku alebo skrat článku, katódová fólia je špecifikovaná oveľa tesnejšie ako fólia rovnakého rozmeru používaná pri balení.
Prečo hliník a nie iný kov
Na kladnej elektróde sa používa hliník, pretože tvorí tenkú vrstvu prírodného oxidu, ktorá pasivuje povrch a udržuje kov stabilný naprieč pracovným potenciálom katódy, približne 3,0 až 4,5 V proti lítiu. Pod asi 1,5 V proti lítiu už tá istá oxidová vrstva nie je stabilná a hliník sa začína legovať s lítiom, preto záporná elektróda používa namiesto toho medený substrát. Toto elektrochemické okno, nie samotné náklady, je dôvodom, prečo tieto dve elektródy používajú rôzne kolektorové kovy.
Čistota a tempera zliatiny
Katódová fólia sa vyrába z-kvalitných tried vysokej čistoty, ako sú 1060, 1070, 1085 a 1235, so zložením kontrolovaným podľa EN 573-3 pre tvárnený hliník. Na čistote záleží, pretože fázy bohaté na železo, meď a kremík{12}}sú katodické v porovnaní s hliníkovou matricou a pôsobia ako iniciačné miesta pre tvorbu jamiek počas cyklovania, takže úrovne zvyškových nečistôt sa udržiavajú výrazne pod úrovňou akceptovanou v baliacej fólii. Teplota sa vyberá podľa procesu nanášania a navíjania: H18 poskytuje najvyššiu pevnosť pre tenké meradlá a odoláva zmenám napätia na línii povlaku, zatiaľ čo mäkšie tempery sa vyberajú tam, kde je polomer navíjania tesný a fólia sa musí prispôsobiť bez praskania. Požiadavky na mechanické vlastnosti hotovej fólie sa riadia GB/T 36146, čínskym štandardom pre fóliu z hliníka a zliatiny hliníka používanú v lítium-iónových batériách.
Meradlo, mechanické vlastnosti a plošná odolnosť
Hlavná katódová fólia sa dodáva s hrúbkou 10 až 20 mikrónov, pričom 12 až 15 mikrónov pokrýva väčšinu výrobných buniek. Výber meradla je priamym kompromisom-: tenšia fólia ponecháva väčší objem buniek pre aktívny materiál a zvyšuje hustotu gravimetrickej energie, ale tiež znižuje aktuálny -nosný prierez- a znižuje napínacie okienko na nanášacej linke. Odpor plechu sa mení nepriamo úmerne s hrúbkou, takže 12 mikrónová hliníková fólia s odporom asi 2,7 mikro-ohm centimetra dáva odpor plechu približne 2,2 miliohm na štvorcový a výsledná ohmická strata musí byť zahrnutá do konštrukcie článku. Pevnosť v ťahu a predĺženie sú zvyčajne špecifikované ako pár, pretože vysoká pevnosť bez adekvátneho predĺženia spôsobuje pretrhnutie pásu počas navíjania.
| Parameter | Typický výrobný sortiment | Procesná implikácia |
|---|---|---|
| Hrúbka | 10 - 20 mikrónov | Hustota energie v porovnaní s pevnosťou siete |
| Pevnosť v ťahu | 180 MPa a viac v H18 | Kontrola napätia na lakovacej linke |
| Predĺženie | 2 % a viac | Odolnosť proti praskaniu na polomere vinutia |
| Drsnosť povrchu Ra | 0.15 - 0.40 mikrónov | Zmáčanie kaše a priľnavosť náteru |
| Pinholes | Nula prijatá | Priame riziko skratu- |
Stav povrchu, rezanie a čistota
Priľnavosť povlaku závisí od povrchovej energie a topografie, nie od samotnej chemickej väzby. Mlyn kontroluje drsnosť prostredníctvom textúry valca a plánu priechodu a konvertor musí udržiavať povrch bez oleja z valcovania, prachu a kovových nečistôt. Rezanie je kritickým krokom, pretože otrep, ktorý zostane na okraji fólie, môže počas navíjania prepichnúť separátor a vytvoriť vnútorný skrat; výška otrepu je preto špecifikovaná oddelene od tolerancie hrúbky. S fóliou na výrobu elektród sa manipuluje v suchých priestoroch, pretože adsorbovaná vlhkosť reaguje so soľou elektrolytu a vytvára fluorovodík, ktorý napáda pasivačnú vrstvu a iniciuje jamkovanie. Prevýšenie a rovinnosť sú tiež kontrolované, pretože zvlnená sieť spôsobuje zmeny hrúbky povlaku po celej šírke.
Správanie na nanášacej linke
Katódová kaša, typicky aktívny materiál s vodivou prísadou a spojivom v rozpúšťadle, sa nanesie na jednu alebo obe strany fólie a potom sa vysuší. Sušenie vystavuje sieťovinu tepelnej rozťažnosti a zmršťovaniu pri odstraňovaní rozpúšťadla a fólia sa musí tomuto pohybu prispôsobiť bez krčenia. Kalandrovanie potom stlačí povlak na cieľovú hustotu aplikovaním vysokých lineárnych zaťažení, ktoré musí substrát vydržať bez nastavenia predĺženia. Priľnavosť vysušeného povlaku k fólii sa kontroluje počas kvalifikácie a metódy pevnosti v odlupovaní, ako je ASTM D903, sú bežne prispôsobené na testovanie elektród. Overenie úrovne buniek hotovej elektródy sa vykonáva podľa IEC 62660 pre trakčné články a IEC 62133-2 pre prenosné uzavreté články.
Často kladené otázky
Q:Aká hrúbka hliníkovej fólie sa používa ako katódový substrát?
Odpoveď: Väčšina výrobných buniek používa fóliu s hrúbkou 12 až 15 mikrónov, pričom celý komerčný rozsah pokrýva približne 10 až 20 mikrónov. Tenšie meradlá zvyšujú hustotu energie, ale zužujú okno spracovania.
Q:Ktoré hliníkové zliatiny sa používajú na katódovú fóliu batérie?
Odpoveď: Vysoko-triedy čistoty ako 1060, 1070, 1085 a 1235 sú štandardné. Nízky obsah železa, medi a kremíka obmedzuje počet iniciačných miest bodovej korózie.
Q:Prečo je drsnosť povrchu špecifikovaná na katódovej fólii?
Odpoveď: Drsnosť riadi, ako sa suspenzia zmáča a ukotvuje ku kovu. Príliš hladké a priľnavosť povlaku je slabá; príliš drsné a hmotnosť povlaku sa stáva nerovnomerným na elektróde.
Q:Prečo sú dierky vo fólii batérie odmietané, ale tolerované v baliacej fólii?
Odpoveď: Malá dierka v substráte elektródy odhaľuje holý kov, ktorý sa môže dostať do kontaktu s opačnou elektródou cez separátor, čím vzniká vnútorný skrat. Baliaca fólia môže tolerovať izolované dierky, pretože polymérne vrstvy stále poskytujú bariéru.
Q:Ktorá norma sa vzťahuje na hliníkovú fóliu pre lítium-iónové batérie?
Odpoveď: GB/T 36146 špecifikuje hliníkovú fóliu a fóliu z hliníkovej zliatiny pre lítium-iónové batérie v čínskom systéme. Požiadavky na úroveň článkov sú pokryté IEC 62660 pre trakčné aplikácie a IEC 62133-2 pre prenosné články.
Q:Prečo sa musí s katódovou fóliou manipulovať v suchej miestnosti?
Odpoveď: Adsorbovaná vlhkosť reaguje so soľou elektrolytu za vzniku fluorovodíka, ktorý napáda ochrannú vrstvu oxidu na hliníku a vedie k jamkovej korózii kolektora.