סוללת ליתיום יון אספן זרם שלילי אלקטרודה

בשל העובדה שארבעת המרכיבים העיקריים המרכיבים את סוללות הליתיום- הם חומר אלקטרודה חיובית, חומר אלקטרודה שלילי, סרט מפריד ואלקטרוליט. עם זאת, בנוסף לארבעת המרכיבים העיקריים, קולט הזרם המשמש לאחסון חומרי אלקטרודה חיוביים ושליליים הוא גם חלק חשוב בסוללות ליתיום.

עבור סוללות ליתיום-יון, קולט הזרם החיובי הנפוץ הוא רדיד אלומיניום, וקולטן הזרם השלילי הוא רדיד נחושת. על מנת להבטיח את יציבות קולט הזרם בתוך הסוללה, הטוהר של שניהם נדרש להיות מעל 98%. עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית סוללות הליתיום, בין אם מדובר בסוללות ליתיום המשמשות במוצרים דיגיטליים ובין אם מדובר בסוללות לרכב חשמלי, אנו מקווים שצפיפות האנרגיה של הסוללות תהיה גבוהה ככל האפשר, ומשקל הסוללות נעשה קל יותר ויותר. מבחינת קולטי זרם, הדבר החשוב ביותר הוא להפחית את העובי והמשקל של קולטי הזרם, תוך הפחתת נפח ומשקל של סוללות באופן אינטואיטיבי.

 

 

 

קולט זרם האלקטרודה השלילי הוא מצע מוליך התומך בחומר הפעיל של האנודה (למשל, גרפיט, סיליקון) בסוללות ליתיום-יון (LIBs). תפקידיו העיקריים כוללים:

• הולכת אלקטרונים: מספקת מסלולי התנגדות-נמוכים לאלקטרונים במהלך טעינה/פריקה.
• תמיכה מכנית: שומר על שלמות מבנית למרות שינויים בנפח האנודה (למשל, סיליקון מתרחב ~300%).
• יציבות ממשק: ממזער תגובות לוואי עם אלקטרוליטים.

 

 

מכיוון שסוללות ליתיום התפתחו במהירות בשנים האחרונות, גם אספנים נוכחיים ראו התקדמות מהירה. רדיד אלומיניום אלקטרודה חיובית הפך דק יותר עם הזמן: מ-16 מיקרומטר בעבר ל-14 מיקרומטר, ואז ירד ל-12 מיקרומטר. כיום, יצרני סוללות רבים כבר מייצרים ומשתמשים בנייר אלומיניום בגודל 10 מיקרומטר, וחלקם אף משתמשים ב-8 מיקרומטר.

 

עבור האלקטרודה השלילית, רדיד הנחושת גמיש יותר, כך שעוביו ירד מ-12 מיקרומטר ל-10 מיקרומטר, ולאחר מכן ל-8 מיקרומטר. כיום, יצרני סוללות רבים משתמשים בנייר כסף של 6 מיקרומטר לייצור המוני. חלק מהחברות מפתחות גם נייר כסף בגודל 5 מיקרומטר או אפילו 4 מיקרומטר, שעשוי לשמש בעתיד.

 

מכיוון שרדיד הנחושת והאלומיניום המשמשים בסוללות ליתיום חייבים להיות טהורים מאוד, צפיפות החומר היא בעצם זהה. ככל שהעובי יורד, גם צפיפות פני השטח (משקל ליחידת שטח) יורדת. כתוצאה מכך, המשקל הכולל של הסוללה הופך קטן יותר ויותר. זה עונה על הצרכים שלנו לסוללות ליתיום קלות וטובות יותר.

 

 

עבור אספנים זרם, בנוסף לעובי ומשקל, לתכונות פני השטח יש גם השפעה משמעותית על הייצור והביצועים של סוללות ליתיום. זה נכון במיוחד עבור קולט זרם האלקטרודות השלילי. בשל מגבלות בתהליכי ייצור, רדיד נחושת הזמין כיום בשוק הם בעיקר משלושה סוגים: מחוספס חד-חד צדדי, מחוספס דו-דו צדדי וחלק-דו צדדי. מבנה דו-צדדי א-סימטרי זה מוביל להתנגדות מגע לא אחידה בין ציפוי האלקטרודות השליליות בשני הצדדים. כתוצאה מכך, קיבולת האלקטרודה השלילית משתחררת בצורה לא אחידה.

 

יחד עם זאת, חוסר הסימטריה בין שני הצדדים גורמת גם לחוזק מליטה לא עקבי של ציפוי האלקטרודה השלילית. זה יוצר חוסר איזון רציני בחיי מחזור הטעינה-פריקה של הציפויים בכל צד, מה שבתורו מאיץ את הירידה בקיבולת הסוללה.

 

 

שיטת הקורוזיה התרמית האלקטרוכימית הראשונה בעולם הופעלה להכנת רדיד נחושת מיקרו-נקבי. נייר נחושת מיקרו-נקבי זה כולל 4,000-15,000 חורים דרך- לסנטימטר רבוע, כל אחד בקוטר של 2-25 מיקרומטר, יחד עם 10-10,000 חורים עיוורים בקטרים ​​הנעים בין 10-50 מיקרומטר. בנוסף, המשטחים העליונים והתחתונים של נייר הכסף מכוסים באופן אחיד בסימני תחריט שעומקם 1-3 מיקרומטר, רוחב 1-5 מיקרומטר, ואורכם של עשרות מיקרומטרים. מאפיינים אלה מטפלים בצורה מושלמת בבעיית ההידבקות בין תרחית האלקטרודה השלילית לרדיד הנחושת.

 

הגודל הספציפי של הנקבוביות וסימני החריטה מביאים לחספוס גבוה יותר של פני השטח עבור נייר הנחושת המיקרו-נקבי, ללא כתמים או קצוות משוננים. יתרה מכך, המעבר בין הנקבוביות למשטח נייר הכסף יוצר קשת לא סדירה ולא זווית ישרה של 90 מעלות, ובכך למעשה מונע היווצרות של דנדריטים ליתיום במהלך מחזורי פריקת טעינה- ומאריך את אורך חיי הסוללה.

 

יתר על כן, המבנה המיקרו-נקבי מציג תכונות מורפולוגיות ייחודיות. הנקבוביות המיוצרות באמצעות קורוזיה אלקטרוכימית הן בעלות צורה לא סדירה, כאשר גדלי הנקבוביות משתנים בטווח מסוים. הקוטר של כל נקבובית שונה גם לאורך צירים שונים. גיאומטריית נקבוביות לא סדורה זו משפרת עוד יותר את חוזק ההתקשרות בין רדיד הנחושת למסך האלקטרודה השלילית.

 

 

אינדקס מיקרופוריים		מבנה הפצה מיקרו-נקבי	ירידה בצפיפות השטח (%)	נכסים
צפיפות מיקרו-נקבים לכל CM2	קוטר מיקרו-נקבים μm			חוזק מתיחה N/mm2	לְהַקְטִין (%)	הַאֲרָכָה (%)	צִמצוּם (%)	הִתנַגְדוּת סְגוּלִית μΩ.ס"מ	לְהַגדִיל (%)
4000-5999	2-25	משטח מלא	0.01-2.94	גדול או שווה ל-220	פחות או שווה ל-25	גדול או שווה ל-1.3	פחות או שווה ל-58	פחות או שווה ל-2.20	פחות או שווה ל-8
6000-7999			0.02-3.92	גדול או שווה ל-210	פחות או שווה ל-28	גדול או שווה ל-1.15	פחות או שווה ל-63
8000-9999			0.03-4.91	גדול או שווה ל-200	פחות או שווה ל-32	גדול או שווה ל-1.05	פחות או שווה ל-66
10000-12499	2-20		0.03-3.92	גדול או שווה ל-190	פחות או שווה ל-35	גדול או שווה ל-1.10	פחות או שווה ל-65
12500-15000	2-15		0.04-2.65	גדול או שווה ל-180	פחות או שווה ל-39	גדול או שווה ל-1.00	פחות או שווה ל-68

 

 

1. נייר כסף נחושת (בחירה דומיננטית)

יתרונות:

מוליכות גבוהה ביותר (5.96×10⁷ S/m) להעברת מטען יעילה.

גמישות: עמיד בפני התרחבות אלקטרודות ללא סדקים.

יציבות אלקטרוכימית בפוטנציאלים נמוכים (0-1 V לעומת Li⁺/Li).

אתגרים:

כבד (~8.96 גרם/סמ"ק צפיפות) מגביל את עליות צפיפות האנרגיה.

נוטה לקורוזיה בסביבות לחות.

2. פחמן-רדיד נחושת מצופה (מתעורר)

מאפיינים משופרים:

עמידות הממשק הפחתת (ב-20-30%) באמצעות שכבת פחמן.

הידבקות משופרת עבור חומרי סיליקון/גרפיט מרוכבים.

Applications: High-energy-density batteries (e.g., EVs, >350 וואט/ק"ג).

3. חומרים חלופיים (שלב מו"פ)

• אספן מבנה תלת-ממדי: חוקרים פיתחו מבני רשת תלת-ממדיים כגון ננו-חוטי נחושת ונחושת מוקצפת. מבנים אלה יכולים למנוע את גידול הדנדריטים של ליתיום, מה שמשפר את בטיחות הסוללה ואת תוחלת החיים. הם מתאימים במיוחד לאנודות מתכת ליתיום.
• רדיד נחושת מרוכב: סוג זה משתמש בחומרים פולימריים כדי להחליף חלק משכבת ​​המתכת. אם הסוללה מנוקבת, היא לא תיצור כתמים. הפולימר יכול לשמש גם כמפסק לעצירת בריחה תרמית.
• התאמה לאלקטרודה שלילית מבוססת-סיליקון: קולטי זרם נקבוביים חדשים יכולים להפחית את בעיית התרחבות הנפח של חומרים מבוססי סיליקון- במהלך טעינה ופריקה. זה עוזר להגביר את צפיפות האנרגיה של הסוללה.

 

 

צור קשר עכשיו

 

 

• משפר את ההדבקה בין חומר האנודה לרדיד הנחושת.
• בעל השפעה מינימלית על ייצור גז הסוללה.
• חוזק המתיחה של רדיד הנחושת המיקרו-נקבי נשאר דומה לזה של רדיד הנחושת המקורי.
• ההתנגדות של רדיד הנחושת המיקרו-נקבי עולה בפחות מ-8%.
• משפר מעט את הקיבולת של סוללות ליתיום-יון.
• משפר באופן משמעותי את העקביות של ביצועי הסוללה ומגדיל את תפוקת הייצור.
• מאפשר טעינה ופריקה בקצב גבוה-.
• מפחית את חלקו של רדיד נחושת במסת הסוללה הכוללת.
• משפר את יכולת ההרטבה של התרחיץ והאלקטרוליט על רדיד הנחושת.
• מפחית את התנגדות המגע בין חומר הקתודה לרדיד האלומיניום.
• מאריך את חיי השירות של הסוללה.

 

 

רדיד נחושת מסורתי (ED-Cu) עובר אבולוציה טכנולוגית עמוקה:

דק במיוחד-

• מגמה: מרדידים מוקדמים של 12 מיקרומטר ו-10 מיקרומטר, הזרם המרכזי עבר ל-6-8 מיקרון. מוצרים-מתקדמים משתמשים כעת ב-4.5 מיקרומטר, והפיתוח נע לכיוון של 3 מיקרומטר, 2 מיקרומטר, ואפילו רדידים דקים יותר.
• דרייבר: נייר כסף דק יותר מפחית משקל ומפנה מקום, ומגדיל ישירות את צפיפות האנרגיה של הסוללה (במיוחד צפיפות האנרגיה הגרבימטרית).
• אתגר: מציב דרישות קיצוניות לחוזק המתיחה של נייר הכסף, התארכותו, בקרת חספוס פני השטח ותפוקת הייצור.

 

ביצועים גבוהים

• רדיד נחושת חוזק-גבוה-: עומד בדרישות החוזק של יריעות אלקטרודות לתהליכי הערמה וסוללות בצפיפות-אנרגיה גבוהה-.
• רדיד נחושת-נמוך (LP) ומאוד-נמוך-פרופיל נחושת (VLP): משטחים חלקים יותר משפרים את המגע עם החומר הפעיל, משפרים את האחידות של שקיעת הליתיום- ומשפרים את ביצועי הטעינה המהירים- ואת חיי המחזור.
• רדיד נחושת מרוכב (או רדיד נחושת "סנדוויץ', רדיד נחושת PET)
• מבנה: שכבת תמיכה פולימרית (PET/PP/PI, עובי ~4-6 מיקרומטר) מצופה משני הצדדים בשכבת נחושת מתכת דקה במיוחד (1 מיקרומטר בערך).

 

 

 

 

נייר הנחושת המגולגל עם מזג רך המשמש כמוליך בלבוש למחקר טיפול בסרטן מלקוח אינדונזיה שלנו.

 

רדיד נחושת מגן ED שלנו עם התארכות גבוהה וחוזק מתיחה גבוה, יכול לשמש בתחומים רבים. אנו יכולים לספק את ה-ED Copper הבודד-מט, כפול-מט וכפול-זוהר עבור סוללת הלי-יון. ואנחנו יכולים גם להציע 2oz עד 6oz (עובי נומינלי 70um עד 210um) רדידי נחושת ED מסוככים המשמשים למיגון של מוצרים חשמליים, במיוחד כשנאים, כבל, טלפון נייד, מחשב, טיפול מכני, תעופה וחלל ויישומים בתעשייה. יתרה מכך, HTE (התארכות בטמפרטורה גבוהה) מ-1/2oz עד 2oz בעובי רדיד נחושת ו-VLP-HTE-HF (פרופיל-נמוך-מאוד, התארכות בטמפרטורה גבוהה, וכבדי ED Copper Foils, בשימוש ב-PCB, שהממד המרבי של הלקוח הוא 12495 מ"מ ללקוח הוא 12495 מ"מ. תמונות עבור רדיד הנחושת המגן בשימוש בחדר MRI

 

הפיתוח של קולטי זרם אנודה מתקדמים, כגון נייר נחושת מיקרו-נקבי, שיפר משמעותית את הביצועים והאמינות של סוללות ליתיום-יון. היתרונות העיקריים כוללים:

• הדבקה משופרת - המבנה המיקרו-נקבי מגביר את חוזק ההתקשרות בין חומר האנודה (למשל, גרפיט או סיליקון) לרדיד הנחושת, ומונע דלמינציה במהלך רכיבה על אופניים.
• דנדריטי ליתיום מדוכאים - גיאומטריית הנקבוביות הלא סדירה והמשטח החרוט מבטלים קצוות חדים, מפחיתים היווצרות דנדריטים ומשפרים את הבטיחות.
• הרטבת אלקטרוליט משופרת - המבנה הנקבובי מקל על חדירת אלקטרוליטים טובה יותר, מבטיח הובלה אחידה של יונים וקינטיקה תגובה.
• יכולת-קצב גבוה - המוליכות והמאפיינים הממשקיים הממוטבים מאפשרים טעינה ופריקה מהירים יותר ללא הצטברות התנגדות משמעותית.
• יציבות מכנית - חוזק המתיחה נשאר דומה לרדיד רגיל, מה שמבטיח שלמות מבנית תחת לחץ.
• חיי מחזור ארוכים - צמיחת דנדריטים מופחתת ויציבות ממשק משופרת תורמים לתוחלת סוללה ארוכה יותר.
• יתרון קל משקל - תכולת הנחושת המופחתת מורידה את משקל הסוללה הכולל תוך שמירה על ביצועים.

 

חידושים אלה נותנים מענה לאתגרים קריטיים בסוללות בצפיפות-אנרגיה- גבוהה, מה שהופך את קולטי הזרם המיקרו-נקביים לפתרון מבטיח עבור -סוללות הליתיום-הדור הבא, במיוחד עבור כלי רכב חשמליים ויישומי הספק גבוה-.

 

 

ש1: מהו קולט זרם האלקטרודה השלילי בסוללת ליתיום-?

ת: זה רדיד המתכת (כמעט תמיד נחושת) שאוסף אלקטרונים מהחומר הפעיל של האנודה ושולח אותם למעגל החיצוני. זה גם מספק תמיכה פיזית לציפוי האנודה.

 

שאלה 2: מדוע משתמשים בנחושת לאלקטרודה השלילית במקום באלומיניום?

ת: מכיוון שהאלקטרודה השלילית פועלת במתח נמוך מאוד (בערך 0.1V לעומת Li/Li⁺). הנחושת יציבה במתח זה. אלומיניום יגיב עם ליתיום כדי ליצור סגסוגת שבירה (LiAl), מה שגורם לנייר כסף להתפרק.

 

ש 3: כמה עבה רדיד הנחושת עבור האלקטרודה השלילית?

ת: עובי הזרם המרכזי הוא 6 מיקרומטר (מיקרומטר). לשם השוואה, עובי שערה אנושי הוא כ-70 מיקרומטר. כמה סוללות מתקדמות משתמשות בנייר כסף של 4.5 מיקרומטר או אפילו 3 מיקרומטר.

 

ש 4: כיצד מייצרים רדיד נחושת של אלקטרודה שלילית?

ת: רובם מיוצרים על ידיהתקנת אלקטרודה. נחושת מצופה מתמיסת נחושת סולפט על תוף טיטניום מסתובב. לאחר מכן מקלפים את נייר הכסף, מטפלים בו וחותכים לרוחב. שיטה זו נקראת רדיד נחושת אלקטרוליטי (ED foil) ומהווה למעלה מ-90% מהשוק.

 

ש 5: מה ההבדל בין הצד המבריק לצד המט?

ת: במהלך הייצור, צד אחד של נייר הכסף נוגע בתוף הטיטניום - הצד הזה הופך חלק (צד מבריק). הצד השני גדל בחופשיות והופך מחוספס (צד מט). הצד המחוספס עשוי בכוונה להיות בעל חספוס מסוים, כך שתפוח האנודה נדבק היטב.

 

ש6: מהו "רדיד נחושת מורכב"?

ת: זהו סוג חדש שבו ליבת פלסטיק דקה (כמו PET או PP) מחוברת בין שתי שכבות נחושת דקות מאוד (כ-1 מיקרומטר כל אחת). זה קל ובטוח יותר - אם הסוללה מנוקבת, הפלסטיק נמס ושובר את המעגל, ומונע בריחה תרמית. עם זאת, הוא עדיין בפיתוח לייצור המוני.

 

ש7: האם סוללות מצב מוצק- עדיין זקוקות לקולט זרם אלקטרודה שלילי נחושת?

ת: רוב התכנונים של סוללות-מצב מוצק עדיין משתמשים בקולט זרם נחושת עבור האלקטרודה השלילית. עם זאת, משטח הנחושת עשוי להזדקק לציפוי מיוחד (כגון ניקל) כדי לעבוד היטב עם האלקטרוליט המוצק.

 

ש8: מהי המגמה העתידית של קולטי זרם אלקטרודות שליליות?

ת: ראה את המגמה של קולטי זרם אלקטרודות שליליות כמפורט להלן:

• נייר כסף דק יותר: נע מ-6 מיקרומטר ל-4.5 מיקרומטר ואפילו 3 מיקרון
• רדיד נחושת מרוכב: קל ובטוח יותר, צפוי לגדול במהירות
• מבנים תלת מימדיים: קצף נחושת או רשתות ננו-חוטים לעבודה עם אנודות מתכת ליתיום ולדיכוי דנדריטים

 

תגיות פופולריות: סוללת ליתיום יון אספן זרם אלקטרודה שלילית, יצרני סוללת סוללת ליתיום יון שלילית זרם אלקטרודה שלילית