Substrat katod dalam sel ion litium-adalah kerajang aluminium nipis yang membawa dua kerja serentak. Ia mengalirkan elektron daripada bahan aktif ke tab sel, dan ia bertindak sebagai pembawa mekanikal yang memegang elektrod bersalut bersama-sama melalui salutan, pengeringan, kalendar, belahan dan penggulungan. Oleh kerana lubang jarum tunggal atau langkah ketebalan boleh menyebabkan kecacatan salutan atau sel pendek, kerajang katod ditentukan dengan lebih ketat daripada kerajang tolok yang sama yang digunakan dalam pembungkusan.
Mengapa Aluminium dan Bukan Logam Lain
Aluminium digunakan pada elektrod positif kerana ia membentuk lapisan oksida semula jadi yang nipis yang memasifkan permukaan dan memastikan logam stabil merentasi potensi operasi katod, kira-kira 3.0 hingga 4.5 V terhadap litium. Di bawah kira-kira 1.5 V terhadap litium lapisan oksida yang sama tidak lagi stabil dan aluminium mula mengaloi dengan litium, itulah sebabnya elektrod negatif menggunakan substrat kuprum sebaliknya. Tingkap elektrokimia ini, bukan kos sahaja, adalah sebab kedua-dua elektrod menggunakan logam pengumpul yang berbeza.
Aloi Kesucian dan Temperamen
Kerajang katod dihasilkan daripada gred-ketulenan tinggi seperti 1060, 1070, 1085 dan 1235, dengan komposisi dikawal kepada EN 573-3 untuk aluminium tempa. Ketulenan penting kerana fasa kaya besi, kuprum dan silikon{12}}adalah katodik berbanding dengan matriks aluminium dan bertindak sebagai tapak permulaan untuk pitting semasa berbasikal, jadi paras kekotoran sisa disimpan jauh di bawah paras yang diterima dalam kerajang pembungkusan. Temperamen dipilih terhadap proses salutan dan lilitan: H18 memberikan kekuatan tertinggi untuk tolok nipis dan menentang variasi ketegangan pada garis salutan, manakala temperamen yang lebih lembut dipilih di mana jejari lilitan adalah ketat dan kerajang mesti mematuhi tanpa retak. Keperluan sifat mekanikal untuk kerajang siap mengikut GB/T 36146, piawaian Cina untuk kerajang aloi aluminium dan aluminium yang digunakan dalam bateri lithium-ion.
Tolok, Sifat Mekanikal dan Rintangan Lembaran
Kerajang katod arus perdana dibekalkan antara 10 dan 20 mikron, dengan 12 hingga 15 mikron meliputi kebanyakan sel pengeluaran. Pemilihan tolok ialah pertukaran langsung-: kerajang nipis meninggalkan lebih banyak isipadu sel untuk bahan aktif dan meningkatkan ketumpatan tenaga gravimetrik, tetapi ia turut mengurangkan-keratan rentas-arus dan merendahkan tetingkap ketegangan pada garisan salutan. Rintangan helaian berskala songsang dengan ketebalan, jadi kerajang aluminium 12 mikron pada kerintangan kira-kira 2.7 mikro-ohm sentimeter memberikan rintangan helaian kira-kira 2.2 miliohm setiap persegi, dan kehilangan ohmik yang terhasil mesti disertakan dalam reka bentuk sel. Kekuatan tegangan dan pemanjangan biasanya dinyatakan sebagai pasangan yang sepadan, kerana kekuatan tinggi tanpa pemanjangan yang mencukupi menyebabkan web pecah semasa penggulungan.
| Parameter | Julat pengeluaran biasa | Implikasi proses |
|---|---|---|
| Ketebalan | 10 - 20 mikron | Ketumpatan tenaga terhadap kekuatan web |
| Kekuatan tegangan | 180 MPa dan ke atas dalam H18 | Kawalan ketegangan pada garis salutan |
| Pemanjangan | 2% dan ke atas | Rintangan kepada keretakan pada jejari belitan |
| Kekasaran permukaan Ra | 0.15 - 0.40 mikron | Pembasahan buburan dan lekatan salutan |
| Lubang jarum | Zero diterima | Risiko litar- pintas langsung |
Keadaan Permukaan, Celahan dan Kebersihan
Lekatan salutan bergantung pada tenaga permukaan dan topografi, bukan pada ikatan kimia sahaja. Kilang mengawal kekasaran melalui tekstur gulungan dan jadual hantaran, dan penukar mesti memastikan permukaan bebas daripada minyak gelek, habuk dan serpihan logam. Membelah adalah langkah kritikal kerana burr yang tertinggal di tepi foil boleh menembusi pemisah semasa penggulungan dan mencipta pendek dalaman; Oleh itu ketinggian burr ditentukan secara berasingan daripada toleransi ketebalan. Kerajang untuk pengeluaran elektrod dikendalikan di dalam bilik kering, kerana kelembapan terjerap bertindak balas dengan garam elektrolit dan menghasilkan hidrogen fluorida, yang menyerang lapisan pempasifan dan memulakan pitting. Camber dan kerataan juga dikawal kerana web beralun menyebabkan variasi ketebalan salutan merentas lebar.
Gelagat pada Talian Salutan
Buburan katod, biasanya bahan aktif dengan bahan tambahan konduktif dan pengikat dalam pelarut, digunakan pada satu atau kedua-dua belah kerajang dan kemudian dikeringkan. Pengeringan menyebabkan web kepada pengembangan terma dan pengecutan penyingkiran pelarut, dan kerajang mesti menampung pergerakan itu tanpa berkedut. Kalender kemudian memampatkan salutan kepada ketumpatan sasaran, menggunakan beban linear tinggi yang substrat mesti bertahan tanpa set pemanjangan. Lekatan salutan kering pada kerajang diperiksa semasa kelayakan, dan kaedah kekuatan kulit seperti ASTM D903 biasanya disesuaikan untuk ujian elektrod. Pengesahan tahap sel bagi elektrod siap dijalankan terhadap IEC 62660 untuk sel daya tarikan dan IEC 62133-2 untuk sel tertutup mudah alih.
Soalan Lazim
Q:Apakah ketebalan kerajang aluminium yang digunakan sebagai substrat katod?
J: Kebanyakan sel pengeluaran menggunakan kerajang 12 hingga 15 mikron, dengan julat komersial penuh merangkumi kira-kira 10 hingga 20 mikron. Tolok yang lebih nipis meningkatkan ketumpatan tenaga tetapi menyempitkan tetingkap pemprosesan.
Q:Aloi aluminium yang manakah digunakan untuk kerajang katod bateri?
J: Gred-ketulenan tinggi seperti 1060, 1070, 1085 dan 1235 adalah standard. Kandungan besi, kuprum dan silikon yang rendah mengehadkan bilangan tapak permulaan untuk kakisan pitting.
Q:Mengapakah kekasaran permukaan dinyatakan pada kerajang katod?
J: Kekasaran mengawal cara buburan membasahi dan berlabuh pada logam. Terlalu licin dan lekatan salutan lemah; terlalu kasar dan berat salutan menjadi tidak sekata merentasi elektrod.
Q:Mengapakah lubang jarum ditolak dalam kerajang bateri tetapi diterima dalam kerajang pembungkusan?
J: Lubang jarum dalam substrat elektrod mendedahkan logam kosong yang boleh menghubungi elektrod bertentangan melalui pemisah, mewujudkan litar pintas dalaman. Kerajang pembungkusan boleh bertolak ansur dengan lubang jarum terpencil kerana lapisan polimer masih menyediakan penghalang.
Q:Piawaian manakah yang meliputi kerajang aluminium untuk bateri-ion litium?
A: GB/T 36146 menentukan aluminium dan kerajang aloi aluminium untuk bateri-ion litium dalam sistem China. Keperluan tahap sel dilindungi oleh IEC 62660 untuk aplikasi daya tarikan dan IEC 62133-2 untuk sel mudah alih.
Q:Mengapa kerajang katod mesti dikendalikan di dalam bilik kering?
J: Kelembapan terjerap bertindak balas dengan garam elektrolit untuk membentuk hidrogen fluorida, yang menyerang lapisan oksida pelindung pada aluminium dan membawa kepada kakisan pitting pengumpul.