Di dalam sel ion litium-, kerajang elektrod adalah satu-satunya komponen logam yang kekal bersentuhan dengan elektrolit untuk sepanjang hayat perkhidmatan. Kerajang aluminium pada sisi positif melakukan lebih daripada mengalirkan arus: ia mentakrifkan platform mekanikal di mana bahan aktif disalut, dan kestabilannya pada potensi tinggi membolehkan pengumpul aluminium digunakan di sana sama sekali. Memahami kerajang pada tahap sel menerangkan mengapa spesifikasi berbeza jauh dari satu format sel ke format seterusnya.
Fungsi Pengumpul Semasa
Zarah bahan aktif adalah konduktor elektronik yang lemah dengan sendirinya, jadi setiap elektrod disalut pada pengumpul logam yang membawa arus ke tab. Pada elektrod positif pengumpul adalah aluminium; pada elektrod negatif ia adalah kuprum. Aluminium dipilih untuk katod kerana lapisan oksida semulajadi memasifkan permukaan dan mengekalkannya stabil di atas tingkap operasi katod kira-kira 3.0 hingga 4.5 V terhadap litium. Pada potensi yang lebih rendah lapisan oksida menjadi tidak stabil, aloi aluminium dengan litium dan pengumpul dimusnahkan, yang merupakan sebab praktikal elektrod negatif tidak boleh menggunakan aluminium. Oleh itu, kedua-dua kerajang sentiasa dinyatakan sebagai pasangan apabila reka bentuk sel ditetapkan.
Kestabilan Elektrokimia dan Mekanisme Kakisan
Lapisan pempasifan tidak boleh dihancurkan sepanjang hayat perkhidmatan yang diukur dalam beribu-ribu kitaran. Laluan degradasi yang paling biasa ialah serangan oleh hidrogen fluorida, yang terbentuk apabila sisa lembapan bertindak balas dengan garam elektrolit terfluorinasi. Hidrogen fluorida melarutkan sebahagian daripada filem oksida dan mendedahkan logam segar, dan pitting setempat mengikuti, yang meningkatkan galangan sel dan akhirnya boleh melubangi kerajang. Lembapan sisa juga bertindak balas pada permukaan semasa pemasangan sel, jadi pengendalian bilik yang kering dan kandungan lembapan rendah dalam elektrod bersalut adalah keperluan berfungsi dan bukannya keutamaan pengeluaran. Kadar kakisan juga dipengaruhi oleh sistem pelarut elektrolit, mengikut suhu, dan oleh potensi elektrod dipegang, itulah sebabnya ujian berbasikal dan bukannya ujian rendaman statik digunakan untuk melayakkan bahan tersebut.
Format Sel dan Kaedah Salutan
Format sel menentukan cara kerajang berubah bentuk semasa pemasangan. Sel silinder dan prismatik menggunakan gulungan jeli luka, jadi kerajang mesti bertahan dalam jejari penggulungan kecil tanpa retak, dan pemanjangan adalah sifat mengawal. Sel kantung menggunakan elektrod bertindan, di mana kerajang dipotong mengikut saiz dan bukannya luka dan sifat kritikal beralih kepada kualiti tepi dan kerataan. Salutan boleh digunakan pada satu sisi atau kedua-dua sisi dan salutan dua-dua sisi adalah standard untuk elektrod bertindan dan luka. Tab dikimpal pada margin foil yang tidak bersalut, dan bahan tab mestilah serasi dengan pengumpul untuk mengelakkan kesan galvanik pada sambungan; kimpalan ultrasonik digunakan secara meluas kerana ia mengelakkan haba-zon kimpalan gabungan yang terjejas.
| Format sel | Perhimpunan elektrod | Mengawal harta kerajang |
|---|---|---|
| berbentuk silinder | Gulung jeli luka | Pemanjangan dan kebersihan permukaan |
| Prismatik | Luka atau terlipat | Pemanjangan dan keseragaman ketebalan |
| kantung | Bertindan | Kualiti tepi dan kerataan |
| Reka bentuk tanpa meja | Luka dengan corak salutan berbilang-tab | Kekuatan dan ketepatan dimensi |
Trend Ketebalan dan Ketumpatan Tenaga
Kerana pengumpul tidak membawa kapasiti, setiap mikrometer yang dikeluarkan dari kerajang diterjemahkan terus ke dalam isipadu untuk bahan aktif. Reka bentuk sel telah beralih daripada pengumpul 15 hingga 20 mikron kepada 10 hingga 12 mikron dan tolok yang lebih nipis kekal dalam pembangunan untuk-format tenaga tinggi. Had ditetapkan melalui pemprosesan dan bukannya oleh elektrokimia: apabila kerajang menjadi lebih nipis, toleransi ketebalan mutlak yang sama menjadi pecahan yang lebih besar daripada tolok, tetingkap ketegangan pada garis salutan mengecil, dan margin terhadap pecahan web dan kedutan jatuh. Oleh itu, keseragaman ketebalan kerajang dan camber dinyatakan dalam mikrometer mutlak, bukan sahaja sebagai peratusan ketebalan nominal.
Kelayakan dan Standard Ujian
Penerimaan bahan untuk kerajang itu sendiri mengikut GB/T 36146 untuk kerajang aloi aluminium dan aluminium yang digunakan dalam bateri-ion litium, yang meliputi komposisi, dimensi dan sifat mekanikal. Pada peringkat sel, IEC 62660-1, IEC 62660-2 dan IEC 62660-3 meliputi prestasi, kebolehpercayaan dan ujian penyalahgunaan sel litium-ion sekunder untuk kenderaan jalan raya elektrik, manakala IEC 62133-2 meliputi keperluan keselamatan untuk sel litium dan bateri yang dimeterai mudah alih. Ujian pengangkutan sel siap mengikut Manual Ujian dan Kriteria PBB, Bahagian III, subseksyen 38.3. Oleh kerana seluar pendek dalaman yang disebabkan oleh kecacatan foil adalah salah satu pencetus pelarian haba yang diiktiraf, rekod kualiti foil membentuk sebahagian daripada rantai kebolehkesanan sel yang diperlukan oleh piawaian ini.
Soalan Lazim
Q:Mengapa kerajang aluminium digunakan pada katod dan kuprum pada anod?
A: Aluminium pasif dan kekal stabil di atas tingkap potensi katod kira-kira 3.0 hingga 4.5 V terhadap litium. Di bawah kira-kira 1.5 V lapisan oksida tidak stabil dan aloi aluminium dengan litium, jadi pengumpul kuprum digunakan pada bahagian negatif.
Q:Apakah yang menyebabkan kakisan pengumpul aluminium semasa hayat sel?
A: Hidrogen fluorida terbentuk daripada sisa lembapan dan garam elektrolit terfluorinasi melarutkan sebahagian daripada lapisan oksida pelindung, mendedahkan logam segar dan memulakan pitting setempat yang meningkatkan impedans.
Q:Seberapa nipis pengumpul arus bateri boleh dibuat?
A: Sel pengeluaran menggunakan kerajang 10 hingga 15 mikron untuk kebanyakan reka bentuk. Tolok yang lebih nipis meningkatkan ketumpatan tenaga tetapi mengurangkan tetingkap toleransi untuk ketegangan, kedutan dan pecahan web semasa salutan dan penggulungan.
Q:Adakah format sel mengubah spesifikasi foil?
A: Ya. Sel silinder dan sel prismatik luka memerlukan pemanjangan yang tinggi untuk bertahan dalam jejari penggulungan, manakala sel kantung yang disusun lebih menekankan kualiti tepi dan kerataan elektrod yang dipotong.
Q:Piawaian yang manakah digunakan untuk kelayakan sel-ion litium?
A: IEC 62660-1, IEC 62660-2 dan IEC 62660-3 meliputi sel daya tarikan, IEC 62133-2 meliputi sel tertutup mudah alih, dan UN 38.3 terpakai untuk mengangkut ujian sel dan bateri siap.
Q:Mengapakah toleransi ketebalan foil lebih penting dalam aplikasi bateri daripada dalam pembungkusan?
J: Berat salutan per unit luas ditetapkan oleh jurang antara kepala salutan dan kerajang, jadi langkah ketebalan dipindahkan terus ke dalam variasi pemuatan elektrod dan akhirnya menjadi ketidakseimbangan sel.