カソード集電体としてのアルミニウム
アルミニウムはリチウム{0}}イオン電池の正極集電体の標準的な材料です。アルミニウムは薄い自己不動態化酸化物層を形成し、銅が酸化して劣化する通常 3{6}4.5 V の正極動作電位での腐食に耐えます。-アルミニウムには実用的な利点もあります。密度は約 2.7 g/cm3 で銅より約 60% 低いため、電気自動車やポータブル電子機器のバッテリー重量が軽減され、銅よりも大幅に安価であるため、大規模製造の生産コストが削減されます。-アルミニウムの導電率は銅より低いものの、カソード集電体としては十分な導電性を維持しており、カーボン-でコーティングされた箔などの表面処理により電子伝達がさらに向上します。厚さ 10-20 ミクロンのアルミニウム箔は、ロールツーロール電極加工に必要な延性を備えています。
エネルギー密度と熱管理
軽量のアルミニウム集電体と構造コンポーネントを使用すると、バッテリー パックの重量エネルギー密度が向上し、より重い設計と比較して約 15-20% の向上が報告されています。アルミニウムの熱伝導率は約 237 W/(m・K) であるため、冷却プレート、熱交換器、バッテリー ハウジングに効果的で、セルの温度を調整し、熱暴走を防ぎます。押し出しアルミニウムの冷却チャネルとコールド プレートは電気自動車のバッテリー パックの標準であり、高強度 6xxx シリーズ合金が軽量の筐体を形成し、活物質のためのスペースを確保しながらセルを保護します。陽極酸化またはコーティングされたアルミニウム表面は、電解質の腐食を軽減し、長期にわたり安定した性能を維持します。
課題と緩和策
特定の化学反応におけるアルミニウムの反応性には課題があります。アルミニウム-空気電池などの水性電解質では、アルミニウムが水と反応して水酸化アルミニウムを形成し、水素を放出してアノードを劣化させます。阻害剤と最適化された電解質組成により、この寄生反応が軽減されます。塩化物-が豊富な環境では、孔食が発生する可能性があり、陽極酸化層や酸化グラフェンバリアなどの保護コーティングが塩化物の浸透をブロックします。高電圧では、絶縁酸化物層により界面抵抗が増加しますが、これは導電性合金またはカーボン-でコーティングされた箔で軽減されます。マルチ-金属システムのガルバニック腐食は絶縁層間で制御され、アルミニウム-空気電池の自己放電は電解質の設計とナノ構造のアノードによって低減されます-。
合金とコーティングの革新
アルミニウム-ベースのイノベーションにより、アノードとカソードの両方の性能が向上しています。アルミニウムのドーピングにより、水性亜鉛-ニッケル電池のニッケル-ベースのカソード構造が安定化し、アルカリ電解液の劣化が軽減されます。ニッケル-アルミニウム触媒合金は、水素-関連の電気化学システムの反応速度を高めます。ナトリウム-イオン電池の層状酸化物をアルミニウムで置換すると結晶構造が安定し、サイクル安定性が向上します。また、酸化アルミニウムの表面コーティングはマンガンの溶解を抑制し、カソードの寿命を延ばします。ナノスケールの共晶構造を持つ積層アルミニウム合金は、バッテリーハウジングや熱管理コンポーネントに高温での耐クリープ性をもたらします。
アルミニウム-空気電池
アルミニウム-空気電池は、アルミニウムの高い電気化学エネルギー密度を一次エネルギー貯蔵に利用していますが、商品化にはいくつかのハードルがあります。アノードの寄生腐食は保管中に容量の損失を引き起こし、保護合金やコーティングによりコストと複雑さが増加します。酸素の還元には効率的な触媒が必要ですが、安価な代替触媒はすぐに劣化してサイクル寿命が短くなります。水酸化アルミニウムなどの放電副生成物が沈殿して電極を詰まらせるため、電解液の管理が必要になります。また、アルミニウムの酸化は簡単に元に戻せないため、ほとんどのアルミニウム空気システムは使い捨てです。-標準化されたコンポーネントとリサイクルのためのインフラストラクチャはまだ発展途上であるため、これらのバッテリーは、長い保存寿命と高いエネルギー密度が交換コストを上回る用途に最適です。
よくある質問
Q1: カソード集電体に銅の代わりにアルミニウムが使用されるのはなぜですか?
アルミニウムは、銅が酸化する陰極の高電位での腐食に耐性があり、軽量で安価です。アルミニウムがリチウムと合金化されるアノード側には銅が使用されます。
Q2: 電池に使用されるアルミ箔の厚さはどれくらいですか?
カソード集電箔の厚さは通常 10{1}}20 ミクロンで、エネルギー密度を最大化するのに十分な薄さでありながら、ロールツーロール処理に十分な強度を備えています。-
Q3: アルミニウムはバッテリーの熱管理にどのように役立ちますか?
アルミニウムは熱伝導率が高いため、セルから熱を除去する冷却プレート、コールドプレート、ヒートシンクに効果的であり、熱暴走を防止し、サイクル寿命を延長します。
Q4: アルミニウム-空気電池は充電可能ですか?
市販のアルミニウム空気電池のほとんどは、アルミニウムの酸化反応を元に戻すことが難しいため、一次使用の使い捨てシステムです。{{1}充電式のプロトタイプは存在しますが、現時点では効率が低く、サイクル寿命が短いという問題があります。
Q5: バッテリーのアルミニウムはリサイクルできますか?
はい。集電体、ハウジング、冷却構造を含むバッテリーのアルミニウム部品は、アルミニウムのリサイクルの流れを通じて回収でき、エネルギー貯蔵の循環経済目標をサポートします。