Què és la làmina de coure?
Un material del qual ningú parla fins que alguna cosa va malament
Totes les bateries d'ions de liti- tenen paper de coure. El teu telèfon, el teu portàtil, el vehicle elèctric aparcat a - tots ells. La làmina es troba darrere de l'ànode de grafit i fa una feina: moure electrons cap a dins i cap a fora. No és glamurós. Els proveïdors no reben conferències magistrals a les conferències de la bateria. Però quan falla la làmina, falla tota la cèl·lula.
He passat quinze anys en aquest sector. La làmina de coure no va ser una cosa en què vaig pensar molt des del principi. Els materials de càtode van cridar tota l'atenció - proporcions NCM, aprovisionament de cobalt, aquest tipus de coses. El paper d'alumini només hi era. Llavors vaig començar a veure que les cèl·lules tornaven del camp amb problemes de dissolució del coure i em vaig adonar del poc que la majoria dels enginyers entenen realment el que passa a aquesta interfície.
El bàsic, breument
La làmina de coure de grau-bateria té entre 6 i 12 micres de gruix per a la majoria d'aplicacions. Alguns fabricants han empès a 4,5 micres. Un cabell humà mesura al voltant de 70 micres, per donar-vos una sensació d'escala.
Dues maneres de fer-ho. La deposició electrolítica - es dissol el coure en àcid sulfúric, fa passar corrent per la solució i les plaques de coure surten a un tambor giratori. Peleu-lo, enrotlleu-lo. Això és més del 90 per cent del mercat. L'altre mètode és enrotllar, on es comença amb un lingot de coure i l'aprima mecànicament a través de passades repetides. El rodatge us ofereix millors propietats mecàniques però costa més. La majoria dels fabricants de cèl·lules no volen pagar la prima.
Per què a algú li importa el gruix
Una làmina més fina significa més espai per al material actiu en el mateix volum de cèl·lules. Això és la densitat d'energia. L'empenta de la làmina de 8 a 6 micres durant l'última dècada va donar un veritable impuls als fabricants de cèl·lules sense canviar res més dels seus dissenys. Anar més prim de 6 micres es fa més difícil. La làmina es trenca durant el recobriment. S'arruga a la màquina de bobinatge. Els rendiments cauen.
Vaig recórrer una línia de recobriment a la província de Jiangsu fa uns anys on estaven classificant làmina de 4,5 micres. Els operadors van haver de reduir la velocitat de la línia un 30 per cent per evitar que la làmina es trenqués. Ningú estava content d'això. El rendiment és important quan intenteu assolir els objectius de cost.
El problema de la superfície
La làmina electrolítica té dues cares. El costat del tambor és brillant i llis. L'altre costat - el costat mat - té més textura. Recobriu el purí d'ànode al costat mat perquè la rugositat ajuda a l'adhesió. Prou senzill en teoria.
Però la rugositat superficial és una compensació. Massa suau i el recobriment s'esborra després d'uns centenars de cicles. Massa rugós i obteniu taques primes al recobriment on el coure nu entra en contacte amb l'electròlit. Això és dolent. El coure es dissol a l'electròlit en determinades condicions, migra al càtode, s'aixeca allà fora i, finalment, fa curtcircuits a la cèl·lula. He vist que les cèl·lules fallaven d'aquesta manera després de quedar-se a l'emmagatzematge - ni tan sols ciclades, només asseguts allà amb un col·lector de corrent corroït.
Els proveïdors de làmines dediquen molt d'esforç a controlar la rugositat. Paquets d'additius al bany de xapat. Passos-del tractament. Alguns proveïdors també fan un lleuger tractament de rugositat al costat del tambor, per a aplicacions on es recobrin ambdues cares.
La corrosió és el veritable mal de cap
L'electròlit estàndard de les cèl·lules d'ions de liti- és LiPF6 dissolt en carbonats orgànics. No ha d'atacar el coure. El coure és estable als potencials de l'ànode. Però sempre hi ha contaminació per humitat - parts per milió, és clar, però hi és. La humitat reacciona amb LiPF6 per formar HF. Àcid fluorhídric. Coses desagradables. Menja coure.
Un mode de fallada que he investigat diverses vegades: el recobriment de l'ànode s'esquerda durant el cicle, exposa la làmina nua i l'HF comença a funcionar. Els ions de coure dissolts passen pel separador, es dipositen al càtode com a coure metàl·lic i, finalment, obteniu un curt suau. La capacitat d'esvaïment s'accelera. De vegades les cel·les s'aboquen. Vam remuntar un record a un lot dolent de paper d'alumini que tenia un òxid superficial excessiu - la capa d'òxid no protegia el coure subjacent de la manera que hauria de tenir.
Descàrrega profunda i reversió
Descarregueu una cel·la per sota de la seva tensió de tall i el potencial de l'ànode augmenta. Aneu prou lluny i comenceu a dissoldre el coure electroquímicament. Això no és controvertit - està documentat a la literatura i qualsevol enginyer cel·lular experimentat ho ha vist.
El problema apareix en paquets-connectats en sèrie on les cel·les tenen capacitats no coincidents. La cel·la més feble es buida primer i, després, les altres cel·les l'involucren. Els dissenyadors de paquets posen circuits de protecció per a això. Però els circuits de protecció de vegades fallen. Els circuits integrats de protecció contra falsificacions són una cosa real a la cadena de subministrament. Plaques BMS barates amb components que no compleixen les especificacions. He vist la dissolució del coure en paquets que suposadament tenien protecció contra inversió.
El silici ho fa tot més difícil
Arriben els ànodes de silici. Tothom sap que el silici emmagatzema més liti que el grafit - aproximadament deu vegades més en massa. El que la gent no sempre pensa és el que el silici fa amb el col·lector actual.
El silici s'expandeix massivament quan es litia. Canvi de volum superior al 300 per cent. La capa d'ànode s'infla i es contrau cada cicle. La làmina de coure convencional no va ser dissenyada per a aquest tipus d'estrès mecànic. Esquerdes de fatiga. delaminació. Pèrdua de contacte elèctric. Alguns desenvolupadors d'ànodes de silici treballen amb aliatges de coure d'alta-tracció o làmines estructurades-3D amb porositat-integrada per adaptar-se a l'expansió. És una àrea activa, molt de desenvolupament propietari, encara no hi ha un guanyador clar.
Una de les empreses emergents amb la qual vaig parlar l'any passat estava utilitzant una làmina d'aliatge de coure-níquel-silici que mantenia la resistència a la tracció per sobre de 500 MPa a temperatures elevades. El canvi-va ser una conductivitat més baixa - potser un 60% del coure pur. Per a la seva aplicació va funcionar. No està clar si escala.
Realitats de la cadena de subministrament
La majoria de làmines de coure de la bateria prové d'un grapat de productors a la Xina, el Japó i Corea. Furukawa, Mitsui, Iljin, Tongguan - aquests noms apareixen als fulls d'especificacions una i altra vegada. Els fabricants de cèl·lules nord-americans i europeus són majoritàriament importadors. Es parla de localitzar la producció de làmines a mesura que la capacitat de la bateria regional es posa en línia, però es necessiten anys per construir aquesta capacitat. La producció de làmines electrolítiques és un equip-intensiu i el coneixement-important. No podeu comprar màquines i començar a enviar paper d'alumini de qualitat el proper trimestre.
El preu segueix els preus de les matèries primeres del coure més una tarifa de conversió. Les làmines més primes comporten tarifes de conversió més elevades perquè els rendiments són més baixos i el control de qualitat és més difícil. La diferència entre els preus de 8 micres i 4,5 micres reflecteix aquesta dificultat.
El que realment importa
La làmina de coure és un component madur de moltes maneres. La tecnologia bàsica de producció no ha canviat dràsticament en dècades. Però les especificacions es continuen endurint a mesura que augmenten els requisits de rendiment de les cèl·lules. La resistència a la tracció, l'allargament, la uniformitat del gruix, la rugositat de la superfície, la resistència a la corrosió -, tot això influeix en la qualitat i la vida útil de la cèl·lula.
Els enginyers amb qui treballo de vegades tracten el paper d'alumini com una compra de productes bàsics. Aconsegueix el proveïdor més barat que compleixi les especificacions i segueix endavant. Això funciona fins que no. Unes quantes ppm més d'humitat a la làmina, una distribució de la rugositat lleugerament fora dels límits de control, un lot feble que va superar el control de qualitat perquè el pla de mostreig no era prou ajustat - qualsevol d'ells pot aparèixer com a fallades de camp mesos o anys més tard. Aleshores ja és massa tard per arreglar-ho barat.
Ningú substituirà el coure aviat. L'alumini no funciona als potencials de l'ànode. El níquel costa massa. Les làmines compostes amb nuclis de polímer estan en desenvolupament però no estan preparades-per a la producció. Durant els propers deu anys, almenys, la làmina de coure es manté on està: a cada cèl·lula d'ions de liti-, fent la seva feina en silenci, fins que alguna cosa va malament.
