Substrat katoda dalam sel litium-ion adalah aluminium foil tipis yang membawa dua pekerjaan secara bersamaan. Ia menghantarkan elektron dari bahan aktif ke tab sel, dan bertindak sebagai pembawa mekanis yang menyatukan elektroda yang dilapisi melalui pelapisan, pengeringan, kalender, pemotongan dan penggulungan. Karena satu lubang jarum atau satu langkah ketebalan dapat menyebabkan cacat lapisan atau sel pendek, foil katoda ditentukan jauh lebih rapat daripada foil dengan ukuran yang sama yang digunakan dalam kemasan.
Mengapa Aluminium dan Bukan Logam Lain
Aluminium digunakan pada elektroda positif karena membentuk lapisan oksida alami tipis yang mempasifkan permukaan dan menjaga logam tetap stabil pada potensial operasi katoda, kira-kira 3,0 hingga 4,5 V terhadap litium. Di bawah sekitar 1,5 V terhadap litium, lapisan oksida yang sama tidak lagi stabil dan aluminium mulai menyatu dengan litium, itulah sebabnya elektroda negatif menggunakan substrat tembaga sebagai gantinya. Jendela elektrokimia ini, bukan hanya biaya saja, adalah alasan kedua elektroda menggunakan logam kolektor yang berbeda.
Paduan Kemurnian dan Temper
Foil katoda diproduksi dengan kualitas-kemurnian tinggi seperti 1060, 1070, 1085, dan 1235, dengan komposisi yang dikontrol hingga EN 573-3 untuk aluminium tempa. Kemurnian penting karena fasa kaya besi, tembaga, dan silikon bersifat katodik relatif terhadap matriks aluminium dan bertindak sebagai tempat inisiasi lubang selama siklus, sehingga tingkat pengotor sisa tetap jauh di bawah tingkat yang diterima dalam foil kemasan. Temperatur dipilih berdasarkan proses pelapisan dan penggulungan: H18 memberikan kekuatan tertinggi untuk pengukur tipis dan menahan variasi tegangan pada garis pelapis, sedangkan temper yang lebih lembut dipilih jika radius belitan rapat dan foil harus menyesuaikan diri tanpa retak. Persyaratan sifat mekanis untuk foil jadi mengikuti GB/T 36146, standar Tiongkok untuk aluminium dan aluminium alloy foil yang digunakan dalam baterai litium-ion.
Pengukur, Sifat Mekanik dan Ketahanan Lembaran
Foil katoda arus utama disediakan antara 10 dan 20 mikron, dengan 12 hingga 15 mikron mencakup sebagian besar sel produksi. Pemilihan pengukur merupakan konsekuensi langsung: foil yang lebih tipis menyisakan lebih banyak volume sel untuk bahan aktif dan meningkatkan kepadatan energi gravimetri, namun juga mengurangi penampang-arus-dan menurunkan jendela tegangan pada garis pelapis. Skala resistansi lembaran berbanding terbalik dengan ketebalannya, sehingga aluminium foil 12 mikron dengan resistivitas sekitar 2,7 mikro-ohm sentimeter memberikan resistansi lembaran sekitar 2,2 miliohm per persegi, dan kerugian ohmik yang diakibatkannya harus disertakan dalam desain sel. Kekuatan tarik dan perpanjangan biasanya ditentukan sebagai pasangan yang serasi, karena kekuatan yang tinggi tanpa perpanjangan yang memadai menyebabkan putusnya jaring selama penggulungan.
| Parameter | Kisaran produksi yang khas | Implikasi proses |
|---|---|---|
| Ketebalan | 10 - 20 mikron | Kepadatan energi terhadap kekuatan web |
| Kekuatan tarik | 180 MPa ke atas di H18 | Kontrol tegangan pada garis pelapis |
| Pemanjangan | 2% ke atas | Ketahanan terhadap retak pada radius belitan |
| Kekasaran permukaan Ra | 0.15 - 0.40 mikron | Pembasahan bubur dan adhesi lapisan |
| lubang kecil | Nol diterima | Risiko hubungan arus pendek-langsung |
Kondisi Permukaan, Celah dan Kebersihan
Daya rekat lapisan bergantung pada energi permukaan dan topografi, bukan pada ikatan kimia saja. Pabrik mengontrol kekasaran melalui tekstur gulungan dan jadwal pengerjaan, dan konverter harus menjaga permukaan bebas dari minyak bergulir, debu, dan serpihan logam. Menggorok adalah langkah penting karena duri yang tertinggal di tepi foil dapat menembus pemisah selama penggulungan dan menimbulkan arus pendek internal; Oleh karena itu, tinggi duri ditentukan secara terpisah dari toleransi ketebalan. Foil untuk produksi elektroda ditangani di ruangan kering, karena kelembapan yang teradsorpsi bereaksi dengan garam elektrolit dan menghasilkan hidrogen fluorida, yang menyerang lapisan pasivasi dan memulai pitting. Camber dan kerataan juga dikontrol karena jaringan bergelombang menyebabkan variasi ketebalan lapisan di seluruh lebarnya.
Perilaku di Garis Pelapisan
Bubur katoda, biasanya merupakan bahan aktif dengan aditif konduktif dan pengikat dalam pelarut, diaplikasikan pada satu atau kedua sisi kertas timah dan kemudian dikeringkan. Pengeringan membuat jaring mengalami pemuaian termal dan penyusutan penghilangan pelarut, dan kertas timah harus mengakomodasi gerakan tersebut tanpa kusut. Calendering kemudian memampatkan lapisan ke kepadatan target, menerapkan beban linier tinggi sehingga substrat harus bertahan tanpa perpanjangan yang ditetapkan. Adhesi lapisan kering ke foil diperiksa selama kualifikasi, dan metode kekuatan kupas seperti ASTM D903 biasanya diadaptasi untuk pengujian elektroda. Verifikasi tingkat sel elektroda jadi dilakukan berdasarkan IEC 62660 untuk sel traksi dan IEC 62133-2 untuk sel tertutup portabel.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Q:Berapa ketebalan aluminium foil yang digunakan sebagai substrat katoda?
J: Sebagian besar sel produksi menggunakan kertas timah berukuran 12 hingga 15 mikron, dengan kisaran komersial penuh berkisar sekitar 10 hingga 20 mikron. Pengukur yang lebih tipis meningkatkan kepadatan energi tetapi mempersempit jendela pemrosesan.
Q:Paduan aluminium apa yang digunakan untuk foil katoda baterai?
J: Nilai kemurnian-tinggi seperti 1060, 1070, 1085, dan 1235 adalah standarnya. Kandungan besi, tembaga, dan silikon yang rendah membatasi jumlah lokasi inisiasi korosi pitting.
Q:Mengapa kekasaran permukaan ditentukan pada foil katoda?
J: Kekasaran mengontrol bagaimana bubur menjadi basah dan menempel pada logam. Terlalu halus dan daya rekat lapisannya lemah; terlalu kasar dan berat lapisan menjadi tidak merata di seluruh elektroda.
Q:Mengapa lubang kecil ditolak pada kertas baterai tetapi ditoleransi dalam kertas kemasan?
J: Lubang jarum pada substrat elektroda memperlihatkan logam kosong yang dapat bersentuhan dengan elektroda berlawanan melalui pemisah, sehingga menimbulkan korsleting internal. Kemasan foil dapat mentolerir lubang kecil yang terisolasi karena lapisan polimer masih memberikan penghalang.
Q:Standar manakah yang mencakup aluminium foil untuk baterai litium-ion?
J: GB/T 36146 menetapkan aluminium dan aluminium foil paduan untuk baterai litium-ion dalam sistem Tiongkok. Persyaratan tingkat sel tercakup dalam IEC 62660 untuk aplikasi traksi dan IEC 62133-2 untuk sel portabel.
Q:Mengapa foil katoda harus ditangani di ruangan kering?
J: Kelembapan yang terserap bereaksi dengan garam elektrolit membentuk hidrogen fluorida, yang menyerang lapisan oksida pelindung pada aluminium dan menyebabkan korosi lubang pada kolektor.