Kaj je bakrena folija?
Material, o katerem nihče ne govori, dokler ne gre kaj narobe
Vsaka litij-ionska baterija ima v sebi bakreno folijo. Vaš telefon, vaš prenosnik, EV, parkiran zunaj - vsi. Folija sedi za grafitno anodo in opravlja eno nalogo: premika elektrone noter in ven. Ni glamurozno. Dobavitelji nimajo osrednjih govorov na konferencah o baterijah. Toda ko odpove folija, odpove celotna celica.
V tej industriji sem preživel petnajst let. Bakrena folija ni bila nekaj, o čemer sem zgodaj veliko razmišljal. Katodni materiali so pritegnili vso pozornost - razmerja NCM, pridobivanje kobalta in take stvari. Folija je bila tam. Potem sem začel opažati, kako se celice vračajo s polja s težavami z raztapljanjem bakra, in spoznal sem, kako malo večina inženirjev dejansko razume, kaj se dogaja na tem vmesniku.
Osnove, na kratko
Bakrena-bakrena folija je debela med 6 in 12 mikroni za večino aplikacij. Nekateri proizvajalci so dosegli 4,5 mikrona. Človeški las je velik okoli 70 mikronov, da dobite občutek velikosti.
Dva načina za izdelavo. Elektrolitsko nanašanje - baker raztopite v žveplovi kislini, skozi raztopino spustite tok in bakrene plošče ven na vrteči se boben. Odlepite, zvijte. To je več kot 90 odstotkov trga. Druga metoda je valjanje, kjer začnete z bakrenim ingotom in ga mehansko stanjšate skozi ponavljajoče se prehode. Valjanje vam daje boljše mehanske lastnosti, vendar stane več. Večina proizvajalcev celic ne želi plačati premije.
Zakaj koga zanima debelina
Tanjša folija pomeni več prostora za aktivno snov v enakem volumnu celice. To je gostota energije. Prehod z 8-mikronske na 6-mikronsko folijo v zadnjem desetletju je dal izdelovalcem celic pravi zagon, ne da bi spremenili kar koli drugega v zvezi z njihovim dizajnom. Težje postane tanjši od 6 mikronov. Folija se med nanašanjem trga. V navijalnem stroju se mečka. Pridelki padejo.
Pred nekaj leti sem obiskal linijo za premazovanje v provinci Jiangsu, kjer so kvalificirali 4,5-mikronsko folijo. Operaterji so morali upočasniti hitrost linije za 30 odstotkov, da preprečijo, da bi se folija strgala. Nihče ni bil vesel tega. Prepustnost je pomembna, ko poskušate doseči ciljne stroške.
Površinski problem
Elektrolitska folija ima dve strani. Stran bobna je sijoča in gladka. Druga stran - mat stran - ima več teksture. Anodno zmes nanesete na mat stran, ker hrapavost pomaga pri oprijemu. Dovolj preprosto v teoriji.
Toda hrapavost površine je kompromis. Preveč gladka in premaz se odlušči po nekaj sto ciklih. Pregrob in dobite tanke lise na prevleki, kjer goli baker pride v stik z elektrolitom. To je slabo. Baker se pod določenimi pogoji raztopi v elektrolitu, migrira na katodo, plošče tam zunaj in sčasoma skrajša celico. Videl sem, da so celice tako odpovedale, potem ko so bile v shrambi - niti niso bile vklopljene, ampak samo tam z razjedajočim odjemnikom toka.
Dobavitelji folij vložijo veliko truda v nadzor hrapavosti. Paketi aditivov v kopeli za galvanizacijo. Koraki po-zdravljenju. Nekateri dobavitelji naredijo tudi rahlo hrapavo obdelavo na strani bobna za aplikacije, kjer sta obe strani prevlečeni.
Korozija je pravi glavobol
Standardni elektrolit v litij-ionskih celicah je LiPF6, raztopljen v organskih karbonatih. Ne bi smelo napadati bakra. Baker je stabilen pri anodnih potencialih. Toda vedno obstaja onesnaženje z vlago - delcev na milijon, seveda, vendar je tam. Vlaga reagira z LiPF6 in tvori HF. Fluorovodikova kislina. Neprijetne stvari. Poje baker.
En način okvare, ki sem ga večkrat raziskoval: anodna prevleka poči med kroženjem, izpostavi golo folijo in HF začne delovati. Raztopljeni bakrovi ioni potujejo skozi separator, se odlagajo na katodo kot kovinski baker in sčasoma dobite mehak kratki stik. Zmanjšanje zmogljivosti se pospeši. Včasih celica zračniki. En odpoklic smo izsledili do slabe serije folije, ki je imela prekomerno površinsko oksidacijo - plast oksida ni zaščitila osnovnega bakra tako, kot bi morala.
Globoka razelektritev in preobrat
Izpraznite celico pod mejno napetostjo in anodni potencial se dvigne. Pojdite dovolj daleč in začeli boste elektrokemično raztapljati baker. To ni sporno - dokumentirano je v literaturi in vsak izkušen celični inženir je to videl.
Težava se pokaže v zaporedno-povezanih paketih, kjer imajo celice neusklajene zmogljivosti. Najšibkejša celica se najprej izprazni, nato pa jo druge celice poženejo v preobrat. Oblikovalci paketov so za to vgradili zaščitna vezja. Toda zaščitna vezja včasih odpovejo. IC-ji za zaščito pred ponarejanjem so resnična stvar v dobavni verigi. Poceni BMS plošče s komponentami, ki ne ustrezajo specifikacijam. Videl sem raztapljanje bakra v paketih, ki naj bi imeli zaščito pred preobratom.
Silicij naredi vse težje
Prihajajo silicijeve anode. Vsi vedo, da silicij shrani več litija kot grafit - približno desetkrat več na podlagi mase. Ljudje ne pomislijo vedno na to, kaj silicij naredi odjemniku toka.
Silicij se pri litiranju močno razširi. Več kot 300-odstotna sprememba glasnosti. Anodna plast nabrekne in se skrči v vsakem ciklu. Običajna bakrena folija ni bila zasnovana za takšno mehansko obremenitev. Pokanje zaradi utrujenosti. Delaminacija. Izguba električnega stika. Nekateri razvijalci silicijeve anode delajo z visoko-nateznimi bakrovimi zlitinami ali 3D-strukturiranimi folijami z vgrajeno-poroznostjo, da se prilagodijo raztezanju. To je aktivno področje, veliko lastniškega razvoja, jasnega zmagovalca še ni.
En zagon, s katerim sem govoril lani, je uporabljal folijo iz bakrove-nikljeve-silicijeve zlitine, ki je ohranila natezno trdnost nad 500 MPa pri povišanih temperaturah. Kompromis-je bila nižja prevodnost - morda 60 odstotkov čistega bakra. Za njihovo aplikacijo je delovalo. Ni jasno, ali se meri.
Realnost dobavne verige
Večino baterijske bakrene folije prihaja od peščice proizvajalcev na Kitajskem, Japonskem in v Koreji. Furukawa, Mitsui, Iljin, Tongguan - ta imena se znova in znova pojavljajo na tehničnih listih. Severnoameriški in evropski proizvajalci celic največ uvažajo. Govori se o lokalizaciji proizvodnje folije, ko se regionalna zmogljivost baterij pojavi na spletu, vendar so za izgradnjo te zmogljivosti potrebna leta. Proizvodnja elektrolitske folije zahteva-opremo in znanje-je pomembno. Ne morete kar kupiti strojev in naslednje četrtletje začeti pošiljati kakovostne folije.
Cene sledijo cenam surovin bakra in nadomestilu za konverzijo. Tanjše folije zahtevajo višje stroške pretvorbe, ker so donosi nižji in je nadzor kakovosti težji. Razpon med cenami 8 mikronov in 4,5 mikronov odraža to težavo.
Kaj je pravzaprav pomembno
Bakrena folija je zrela komponenta na veliko načinov. Osnovna proizvodna tehnologija se v desetletjih ni dramatično spremenila. Toda specifikacije se vedno bolj zaostrujejo, saj se zahteve glede zmogljivosti celic povečujejo. Natezna trdnost, raztezek, enakomernost debeline, hrapavost površine, odpornost proti koroziji - vse to vpliva na kakovost in življenjsko dobo celic.
Inženirji, s katerimi delam, folijo včasih obravnavajo kot nakupno blago. Pridobite najcenejšega dobavitelja, ki ustreza specifikacijam, in nadaljujte. To deluje, dokler ne deluje. Nekaj ppm več vlage v foliji, porazdelitev hrapavosti nekoliko zunaj kontrolnih meja, šibka serija, ki je prestala QC, ker načrt vzorčenja ni bil dovolj natančen - vse to se lahko pokaže kot napake na terenu mesece ali leta pozneje. Takrat je že prepozno za poceni popravilo.
Nihče ne bo kmalu zamenjal bakra. Aluminij ne deluje pri anodnih potencialih. Nikelj stane preveč. Kompozitne folije s polimernimi jedri so v razvoju, vendar še niso{3}}pripravljene za proizvodnjo. Vsaj naslednjih deset let ostane bakrena folija tam, kjer je: v vsaki litij-ionski celici in tiho opravlja svoje delo, dokler ne gre kaj narobe.
