El sustrato catódico de una celda de iones de litio-es una fina lámina de aluminio que realiza dos funciones simultáneamente. Conduce electrones desde el material activo a la pestaña de la celda y actúa como portador mecánico que mantiene unido el electrodo recubierto mediante recubrimiento, secado, calandrado, corte y bobinado. Debido a que un solo orificio o un paso de espesor pueden causar un defecto en el recubrimiento o un cortocircuito en la celda, la lámina del cátodo se especifica mucho más apretada que la lámina del mismo calibre utilizada en el empaque.
Por qué el aluminio y no otro metal
El aluminio se utiliza en el electrodo positivo porque forma una fina capa de óxido natural que pasiva la superficie y mantiene el metal estable en todo el potencial operativo de un cátodo, aproximadamente de 3,0 a 4,5 V frente al litio. Por debajo de aproximadamente 1,5 V frente al litio, la misma capa de óxido ya no es estable y el aluminio comienza a alearse con el litio, razón por la cual el electrodo negativo utiliza en su lugar un sustrato de cobre. Esta ventana electroquímica, no solo el costo, es la razón por la que los dos electrodos utilizan diferentes metales colectores.
Pureza y temple de la aleación
La lámina catódica se produce a partir de grados de alta-pureza, como 1060, 1070, 1085 y 1235, con la composición controlada según EN 573-3 para aluminio forjado. La pureza es importante porque las fases ricas en hierro, cobre y silicio-son catódicas en relación con la matriz de aluminio y actúan como sitios de iniciación de picaduras durante el ciclo, por lo que los niveles de impureza residual se mantienen muy por debajo de los aceptados en las láminas de embalaje. El temple se selecciona en función del proceso de recubrimiento y bobinado: H18 proporciona la mayor resistencia para calibres finos y resiste las variaciones de tensión en la línea de recubrimiento, mientras que se eligen templados más suaves donde el radio de bobinado es estrecho y la lámina debe adaptarse sin agrietarse. Los requisitos de propiedades mecánicas para la lámina terminada siguen GB/T 36146, el estándar chino para láminas de aluminio y aleaciones de aluminio utilizadas en baterías de iones de litio.
Calibre, propiedades mecánicas y resistencia de la lámina.
La lámina de cátodo convencional se suministra entre 10 y 20 micrones, y de 12 a 15 micrones cubren la mayoría de las celdas de producción. La selección del calibre es una compensación-directa: una lámina más delgada deja más volumen celular para el material activo y aumenta la densidad de energía gravimétrica, pero también reduce la-sección transversal-portadora de corriente y reduce la ventana de tensión en la línea de recubrimiento. La resistencia de la lámina aumenta inversamente con el espesor, por lo que una lámina de aluminio de 12 micrones con una resistividad de aproximadamente 2,7 micro{11}}ohmios por centímetro proporciona una resistencia de la lámina de aproximadamente 2,2 miliohmios por cuadrado, y la pérdida óhmica resultante debe incluirse en el diseño de la celda. La resistencia a la tracción y el alargamiento generalmente se especifican como un par coincidente, ya que una alta resistencia sin un alargamiento adecuado provoca roturas de la banda durante el bobinado.
| Parámetro | Rango de producción típico | Implicación del proceso |
|---|---|---|
| Espesor | 10 - 20 micras | Densidad de energía contra fuerza de la red. |
| Resistencia a la tracción | 180 MPa y superior en H18 | Control de tensión en la línea de recubrimiento. |
| Alargamiento | 2 % y más | Resistencia al agrietamiento en el radio de bobinado. |
| Rugosidad superficial Ra | 0.15 - 0.40 micras | Humectación de lodos y adhesión del recubrimiento |
| Poros | Cero aceptado | Riesgo de cortocircuito-directo |
Condición de la superficie, corte y limpieza
La adhesión del recubrimiento depende de la energía superficial y la topografía, no solo de los enlaces químicos. El laminador controla la rugosidad a través de la textura del rodillo y el programa de paso, y el convertidor debe mantener la superficie libre de aceite de laminación, polvo y residuos metálicos. El corte es un paso crítico porque una rebaba que queda en el borde de la lámina puede perforar el separador durante el bobinado y crear un cortocircuito interno; Por lo tanto, la altura de las rebabas se especifica por separado de la tolerancia del espesor. Las láminas para la producción de electrodos se manipulan en salas secas, ya que la humedad absorbida reacciona con la sal del electrolito y genera fluoruro de hidrógeno, que ataca la capa de pasivación y provoca picaduras. La curvatura y la planitud también se controlan porque una red ondulada provoca una variación del espesor del recubrimiento a lo ancho.
Comportamiento en la Línea de Recubrimiento
La suspensión catódica, normalmente un material activo con un aditivo conductor y un aglutinante en un disolvente, se aplica a uno o ambos lados de la lámina y luego se seca. El secado somete la banda a la expansión térmica y a la contracción por eliminación del disolvente, y la lámina debe adaptarse a ese movimiento sin arrugarse. Luego, el calandrado comprime el recubrimiento hasta una densidad objetivo, aplicando altas cargas lineales que el sustrato debe sobrevivir sin que se produzca un alargamiento. La adherencia del recubrimiento seco a la lámina se verifica durante la calificación, y los métodos de resistencia al pelado, como el ASTM D903, se adaptan comúnmente para las pruebas de electrodos. La verificación del nivel de celda del electrodo terminado se lleva a cabo según IEC 62660 para celdas de tracción y IEC 62133-2 para celdas selladas portátiles.
Preguntas frecuentes
Q:¿Qué espesor de papel de aluminio se utiliza como sustrato del cátodo?
R: La mayoría de las células de producción utilizan láminas de 12 a 15 micrones, y el rango comercial completo abarca aproximadamente de 10 a 20 micrones. Los calibres más delgados aumentan la densidad de energía pero reducen la ventana de procesamiento.
Q:¿Qué aleaciones de aluminio se utilizan para las láminas catódicas de baterías?
R: Los grados de alta-pureza, como 1060, 1070, 1085 y 1235, son estándar. El bajo contenido de hierro, cobre y silicio limita el número de sitios de iniciación de la corrosión por picaduras.
Q:¿Por qué se especifica la rugosidad de la superficie en la lámina del cátodo?
R: La rugosidad controla cómo la lechada se moja y se fija al metal. Demasiado suave y la adherencia del recubrimiento es débil; demasiado áspero y el peso del recubrimiento se vuelve desigual a lo largo del electrodo.
Q:¿Por qué se rechazan los agujeros en el papel de aluminio de las baterías pero se toleran en el papel de embalaje?
R: Un orificio en el sustrato de un electrodo expone el metal desnudo que puede hacer contacto con el electrodo opuesto a través del separador, creando un cortocircuito interno. El papel de aluminio para embalaje puede tolerar poros aislados porque las capas de polímero aún proporcionan una barrera.
Q:¿Qué norma cubre el papel de aluminio para las baterías de iones de litio-?
R: GB/T 36146 especifica láminas de aluminio y aleación de aluminio para baterías de iones de litio-en el sistema chino. Los requisitos a nivel de celda están cubiertos por IEC 62660 para aplicaciones de tracción y IEC 62133-2 para celdas portátiles.
Q:¿Por qué la lámina catódica debe manipularse en un lugar seco?
R: La humedad absorbida reacciona con la sal del electrolito para formar fluoruro de hidrógeno, que ataca la capa protectora de óxido del aluminio y provoca corrosión por picaduras en el colector.