リチウム- イオン電池のカソード基板は、2 つの役割を同時に担う薄いアルミニウム箔です。これは、活物質からセルタブに電子を伝導し、コーティング、乾燥、カレンダー加工、スリット、巻き取りを通じてコーティングされた電極を保持する機械的キャリアとして機能します。単一のピンホールや厚さの段差がコーティングの欠陥やセルのショートを引き起こす可能性があるため、陰極箔はパッケージングに使用される同じゲージの箔よりもはるかに厳密に指定されています。
なぜ他の金属ではなくアルミニウムなのか
アルミニウムが正極に使用されるのは、表面を不動態化し、リチウムに対しておよそ 3.0 ～ 4.5 V のカソードの動作電位全体にわたって金属を安定に保つ薄い自然酸化物層を形成するためです。リチウムに対して約 1.5 V を下回ると、同じ酸化物層が安定しなくなり、アルミニウムがリチウムと合金化し始めます。そのため、負極では代わりに銅基板が使用されます。コストだけでなく、この電気化学的な窓が、2 つの電極で異なるコレクタ金属を使用する理由です。
合金の純度と質
陰極箔は、1060、1070、1085、1235 などの高純度グレードから製造され、その組成は鍛造アルミニウムに関する EN 573-3 に準拠して制御されています。純度が重要なのは、鉄、銅、シリコン-に富む相がアルミニウム母材に対して陰極性であり、サイクル中に孔食の開始点として機能するためであり、そのため残留不純物レベルは包装用ホイルで許容されるレベルよりも大幅に低く抑えられます。焼き戻しは、コーティングと巻き取りプロセスに応じて選択されます。H18 は、薄いゲージに対して最高の強度を与え、コーティング ラインでの張力の変動に耐えます。一方、巻き取り半径が狭く、フォイルがひび割れすることなく適合する必要がある場合には、より柔らかい焼き戻しが選択されます。完成した箔の機械的特性要件は、リチウムイオン電池で使用されるアルミニウムおよびアルミニウム合金箔の中国規格である GB/T 36146 に従います。
ゲージ、機械的特性、シート抵抗
主流の陰極箔は 10 ～ 20 ミクロンで供給され、12 ～ 15 ミクロンがほとんどの生産セルをカバーします。ゲージの選択は直接のトレードオフです。-箔を薄くすると、活物質のためのセルの体積が増え、重量エネルギー密度が高まりますが、同時に電流が流れる断面積が減少し、コーティング ラインの張力ウィンドウも低くなります。-シート抵抗は厚さに反比例するため、抵抗率が約 2.7 マイクロ- センチメートルの 12 ミクロンのアルミニウム箔では、平方あたりおよそ 2.2 ミリオームのシート抵抗が得られ、結果として生じるオーム損失をセル設計に含める必要があります。引張強度と伸びは、通常、適切な伸びを伴わない高強度の場合、巻き取り中にウェブの破損を引き起こすため、対応するペアとして指定されます。
| パラメータ | 代表的な生産範囲 | プロセスへの影響 |
|---|---|---|
| 厚さ | 10 - 20 ミクロン | ウェブ強度に対するエネルギー密度 |
| 抗張力 | H18で180MPa以上 | 塗装ラインの張力管理 |
| 伸長 | 2%以上 | 巻取り半径での亀裂に対する耐性 |
| 表面粗さRa | 0.15 - 0.40 ミクロン | スラリーの濡れ性とコーティングの密着性 |
| ピンホール | ゼロを受け入れます | 直接短絡のリスク- |
表面状態、スリット、清浄度
コーティングの密着力は、化学結合だけではなく、表面エネルギーとトポグラフィーに依存します。圧延機はロールのテクスチャーとパス スケジュールを通じて粗さを制御し、コンバーターは表面に圧延油、塵、金属の破片が付着しないようにする必要があります。フォイルの端に残ったバリが巻き取り中にセパレータを突き破り、内部ショートを引き起こす可能性があるため、スリッティングは重要なステップです。したがって、バリの高さは厚さの公差とは別に指定されます。電極製造用の箔は、吸着された水分が電解質塩と反応してフッ化水素を生成し、不動態化層を攻撃して孔食を引き起こすため、乾燥室で扱われます。波状のウェブにより幅方向のコーティングの厚さにばらつきが生じるため、キャンバーと平面度も制御されます。
塗装ラインでの挙動
カソードスラリーは、典型的には溶媒中に導電性添加剤および結合剤を含む活物質であり、箔の片面または両面に塗布され、その後乾燥される。乾燥によりウェブは熱膨張と溶媒除去による収縮を受けるため、フォイルはしわが寄らずにその動きに対応する必要があります。次に、カレンダー加工によりコーティングを目標密度まで圧縮し、基材が伸びを設定せずに耐えられるような高い線形荷重を加えます。乾燥したコーティングの箔への接着は認定中にチェックされ、ASTM D903 などの剥離強度方法が電極試験に一般的に適用されます。完成した電極のセルレベル検証は、トラクションセルについては IEC 62660、ポータブル密閉セルについては IEC 62133-2 に基づいて実行されます。
よくある質問
Q:陰極基板として使用されるアルミニウム箔の厚さはどれくらいですか?
A: ほとんどの生産セルでは 12 ～ 15 ミクロンのフォイルが使用されており、商用製品の全範囲はおよそ 10 ～ 20 ミクロンに及びます。ゲージを薄くするとエネルギー密度は高まりますが、処理ウィンドウが狭くなります。
Q:電池の陰極箔にはどのアルミニウム合金が使用されていますか?
A: 1060、1070、1085、1235 などの高純度グレードが標準です。-鉄、銅、シリコンの含有量が低いため、孔食の開始部位の数が制限されます。
Q:陰極箔の表面粗さはなぜ規定されているのですか？
A: 粗さは、スラリーがどのように濡れて金属に定着するかを制御します。平滑すぎるとコーティングの密着性が弱くなります。粗すぎると、電極全体でコーティングの重量が不均一になります。
Q:バッテリーフォイルではピンホールが拒否されるのに、パッケージングフォイルでは許容されるのはなぜですか?
A: 電極基板のピンホールにより地金が露出し、セパレータを介して対向電極と接触する可能性があり、内部短絡が発生します。ポリマー層がバリアとして機能するため、包装用ホイルは孤立したピンホールを許容できます。
Q:リチウムイオン電池用のアルミニウム箔を対象とする規格はどれですか?{0}}
A: GB/T 36146 は、中国の制度におけるリチウムイオン電池用のアルミニウムおよびアルミニウム合金箔を規定しています。-セルレベルの要件は、トラクションアプリケーションについては IEC 62660、ポータブルセルについては IEC 62133-2 によってカバーされています。
Q:なぜ陰極箔は乾燥した部屋で扱わなければならないのですか?
A: 吸着された水分は電解質塩と反応してフッ化水素を生成し、これがアルミニウムの保護酸化層を攻撃し、コレクタの孔食を引き起こします。