Ak rozoberiete lítium{0}}iónovú batériu, zistíte, že kladná elektróda používa hliníkovú fóliu, zatiaľ čo záporná elektróda používa medenú fóliu. Mnoho ľudí je zvedavých, keď sa prvýkrát dozvedia tento detail: prečo sa úlohy nemôžu obrátiť? Prečo nepoužiť medenú fóliu na kladnú elektródu a hliníkovú fóliu na zápornú? Odpoveď je jasná: jednoducho to nepôjde. Ich výmena by zabránila správnemu fungovaniu batérie a mohla by dokonca viesť k problémom s bezpečnosťou. Aby sme to pochopili, musíme sa najprv pozrieť na kolektory prúdu. Čo je to zberač prúdu? Jednoducho povedané, funguje ako vnútorná „káblovka“ batérie. Pretože materiály kladných a záporných elektród sú vo forme prášku a nemožno ich priamo pripojiť k vonkajším vodičom, musia byť potiahnuté kovovou fóliou; táto fólia zbiera prúd a prenáša ho do vonkajšieho obvodu. Fólia na kladnej strane sa nazýva kladný kolektor prúdu a fólia na zápornej strane je záporný kolektor prúdu. Prečo teda konkrétne používať hliník na pozitívnu stranu a meď na negatívnu stranu? Ide o jeden kľúčový bod: prevádzkové potenciály kladných a záporných elektród sa výrazne líšia. Zberač prúdu musí zostať stabilný v rámci svojho špecifického potenciálneho rozsahu-nemôže korodovať ani podliehať chemickým reakciám. Prečo musí byť pre zápornú elektródu použitá medená fólia? Keď je grafitová záporná elektróda úplne nabitá, jej potenciál klesne takmer na 0 V (v porovnaní s lítiovou elektródou),- čo je extrémne nízka úroveň. Hliník sa pri tomto potenciáli správa katastrofálne. Výskum ukazuje, že keď potenciál hliníka klesne pod 0,284 V (vzhľadom na lítiovú elektródu), lítiové ióny sa „vložia“ do kryštálovej mriežky hliníka a vytvoria lítium{16}}hliníkovú zliatinu. Tento proces legovania spôsobuje masívne rozšírenie objemu{18}a objem hliníka sa zväčší takmer o 97 %. Už po niekoľkých cykloch nabíjania{21}}vybitia sa hliníková fólia rozdrví a rozpadne, čím úplne stratí svoju funkciu zberača prúdu. Okrem toho tento proces spotrebuje veľké množstvo aktívneho lítia, čo spôsobí prudké zníženie kapacity batérie. Meď je na druhej strane oveľa stabilnejšia pri nízkych potenciáloch. Netvorí stabilné zliatiny s lítiom; v rozsahu nízkeho-potenciálu zápornej elektródy nepodlieha redukcii ani korózii, pričom si zachováva štrukturálnu integritu a spoľahlivú vodivosť. Aj keď dôjde k pokovovaniu lítiom na zápornej elektróde, medený zberač prúdu zostáva nepoškodený. Preto je pre zápornú elektródu vhodná iba medená fólia; hliníková fólia nebude fungovať. Prečo sa na kladnú elektródu musí použiť hliníková fólia? Hlavné kladné elektródové materiály pracujú pri potenciáloch medzi 2,5 V a 4,3 V (vzhľadom na lítiovú elektródu), čo predstavuje rozsah vysokého oxidačného potenciálu. Meď nemôže odolať tomuto prostrediu. Jeho odolnosť proti oxidácii je obmedzená; pri vysokých potenciáloch presahujúcich 4V oxiduje na ióny medi a rozpúšťa sa v elektrolyte. Okrem postupnej korózie samotného zberača prúdu môžu rozpustené ióny medi migrovať cez separátor a usadzovať sa na povrchu anódy, čo spôsobuje vnútorné mikro-skraty. To vedie k neustálemu zhoršovaniu kapacity a eskalácii bezpečnostných rizík. Hliník, naopak, zostáva stabilný pri vysokých potenciáloch. Pri vystavení vzduchu prirodzene vytvára hustú pasivačnú vrstvu oxidu hlinitého (Al2O3). Hoci je táto vrstva elektricky izolujúca, má hrúbku len nanometrov, čo umožňuje elektrónom prechádzať cez „efekt kvantového tunelovania“. To zaisťuje, že vodivosť zostáva bez prekážok, zatiaľ čo vrstva pôsobí ako pancier, ktorý chráni podkladový hliník pred ďalšou oxidáciou. Hliníková fólia zostáva stabilná aj pri potenciáloch 4,5 V alebo vyšších. V dôsledku toho je hliníková fólia jedinou vhodnou voľbou pre zberač katódového prúdu; medená fólia nie je. Okrem kritického kritéria elektrochemickej stability ovplyvňuje výber medzi medenou a hliníkovou fóliou niekoľko praktických faktorov: Vodivosť. Meď aj hliník ponúkajú vynikajúcu vodivosť, na druhom mieste po striebre a zlate. Vzhľadom na vysoké náklady na striebro a zlato predstavujú meď a hliník najefektívnejšie možnosti{47}. Hmotnosť. Hliník má hustotu 2,7 g/cm³, zatiaľ čo meď má hustotu 8,9 g/cm³. Použitie hliníkovej fólie pre katódu výrazne znižuje hmotnosť batérie, čo výrazne prispieva k vyššej hustote energie. náklady. Hliník je lacnejší ako meď, čo ponúka značné úspory pri hromadnej výrobe. Spracovateľnosť. Oba kovy majú vynikajúcu ťažnosť, čo umožňuje ich zvinutie do ultra{57}}tenkých fólií (6 – 12 mikrometrov), ktoré spĺňajú požiadavky procesov hromadnej{60}}výroby, ako je poťahovanie a kalandrovanie. Kompatibilita priľnavosti. Oxidová vrstva na hliníkovej fólii sa efektívne spája s aktívnymi katódovými materiálmi a spojivami, zatiaľ čo medená fólia ponúka vynikajúce spojenie s anódovým grafitom a spojivami. Existujú výnimky? Existuje jeden špeciálny prípad: anóda s titaničitanom lítnym (LTO). Jeho prevádzkový potenciál je okolo 1,55 V, čo je nad hranicou, pri ktorej hliník podlieha legovaniu. Teoreticky by sa hliníková fólia mohla použiť ako zberač anódového prúdu na ďalšie zníženie nákladov a hmotnosti; priemysel sa však v súčasnosti spolieha predovšetkým na zavedené riešenie medenej fólie pre hromadnú výrobu. Okrem toho si pozornosť zaslúži nová technológia kompozitných kolektorov prúdu; so štruktúrou "polymérový substrát plus kovový povlak" ponúka ľahké vlastnosti a zvýšenú bezpečnosť, pretože kovová vrstva sa počas tepelného úniku zlomí a preruší prúd. Toto predstavuje kľúčovú cestu inovácie pre batérie novej-generácie s vysokou{70}}bezpečnosťou. Vráťme sa k úvodnej otázke: použitie hliníkovej fólie pre katódu a medenej fólie pre anódu nie je svojvoľná voľba, ale nevyhnutný výsledok diktovaný elektrochemickými princípmi. Hliník sa pri vysokonapäťových podmienkach katódy chráni prostredníctvom pasivačnej vrstvy, zatiaľ čo meď si zachováva stabilitu vďaka chemickej inertnosti pri nízkonapäťových podmienkach anódy-jedna odoláva oxidácii a druhá legovaniu; každý si drží svoje miesto a ani jeden nemôže nahradiť toho druhého.
