Ce este folie de cupru?
Un material despre care nimeni nu vorbește până când ceva nu merge bine
Fiecare baterie litiu-ion are folie de cupru. Telefonul, laptopul, vehiculul electric parcat în afara -, toate. Folia se află în spatele anodului de grafit și face o singură lucrare: mută electronii înăuntru și în afară. Nu plin de farmec. Furnizorii nu primesc discursuri principale la conferințele de baterie. Dar când folia eșuează, întreaga celulă eșuează.
Am petrecut cincisprezece ani în această industrie. Folia de cupru nu a fost ceva la care m-am gândit prea mult devreme. Materialele catodice au atras toată atenția - rapoarte NCM, aprovizionare cu cobalt, așa ceva. Folia era chiar acolo. Apoi am început să văd celule care se întorc din teren cu probleme de dizolvare a cuprului și mi-am dat seama cât de puține înțeleg majoritatea inginerilor despre ceea ce se întâmplă la acea interfață.
Elementele de bază, pe scurt
Folia de cupru pentru baterie-funcționează între 6 și 12 microni grosime pentru majoritatea aplicațiilor. Unii producători au împins la 4,5 microni. Un păr uman are în jur de 70 de microni, pentru a vă oferi un sentiment de scară.
Două moduri de a o face. Depunerea electrolitică - dizolvați cuprul în acid sulfuric, treceți curentul prin soluție și plăcile de cupru ies pe un tambur rotativ. Desprindeți-l, rulați-l. Adică peste 90% din piață. Cealaltă metodă este rularea, în care începeți cu un lingou de cupru și îl subțiați mecanic prin treceri repetate. Laminarea vă oferă proprietăți mecanice mai bune, dar costă mai mult. Majoritatea producătorilor de celule nu vor să plătească prima.
De ce îi pasă cuiva de grosime
Folia mai subțire înseamnă mai mult spațiu pentru materialul activ în același volum de celule. Aceasta este densitatea de energie. Impingerea de la 8 microni la 6 microni folie din ultimul deceniu a oferit producătorilor de celule un impuls real, fără a schimba nimic altceva în ceea ce privește designul lor. A deveni mai subțire de 6 microni devine mai greu. Folia se rupe în timpul acoperirii. Se sifoneaza in masina de bobinat. Randamentele scad.
Am vizitat o linie de acoperire din provincia Jiangsu cu câțiva ani în urmă, unde se calificau folie de 4,5 microni. Operatorii au fost nevoiți să încetinească viteza liniei cu 30 la sută pentru a nu se rupe folia. Nimeni nu s-a bucurat de asta. Debitul contează atunci când încercați să atingeți obiectivele de cost.
Problema suprafeței
Folia electrolitică are două fețe. Partea tamburului este lucioasă și netedă. Cealaltă parte - partea mată - are mai multă textură. Acoperiți șlamul anodului pe partea mată, deoarece rugozitatea ajută la aderență. Destul de simplu în teorie.
Dar rugozitatea suprafeței este un compromis. Prea netedă și stratul se dezlipește după câteva sute de cicluri. Prea aspră și obțineți pete subțiri în stratul de acoperire unde cuprul gol intră în contact cu electrolitul. Asta e rău. Cuprul se dizolvă în electrolit în anumite condiții, migrează la catod, se adaugă acolo și, în cele din urmă, scurtează celula. Am văzut celule defectuoase în acest fel după ce au stat în depozit - nici măcar ciclate, doar că au stat acolo cu un colector de curent corodat.
Furnizorii de folie depun mult efort controlând rugozitatea. Pachete de aditivi în baia de placare. Post-pașii de tratament. Unii furnizori fac un tratament ușor de rugosire și pe partea tamburului, pentru aplicații în care ambele părți sunt acoperite.
Coroziunea este adevărata durere de cap
Electrolitul standard din celulele cu ioni de litiu este LiPF6 dizolvat în carbonați organici. Nu ar trebui să atace cuprul. Cuprul este stabil la potențialul anodic. Dar există întotdeauna o contaminare cu umiditate - părți pe milion, sigur, dar există. Umiditatea reacţionează cu LiPF6 pentru a forma HF. Acid fluorhidric. Chestii urâte. Mănâncă cupru.
Un mod de defecțiune pe care l-am investigat de mai multe ori: acoperirea anodului se sparge în timpul ciclării, expune folia goală și HF merge la lucru. Ionii de cupru dizolvați trec prin separator, se depun pe catod sub formă de cupru metalic și, în cele din urmă, obțineți un scurtcircuit moale. Decolorarea capacității accelerează. Uneori, celulele sunt ventilate. Am urmărit o retragere la un lot prost de folie care avea o suprafață excesivă de oxid - stratul de oxid nu a protejat cuprul subiacent așa cum ar fi trebuit.
Descărcare profundă și inversare
Descărcați o celulă sub tensiunea de întrerupere și potențialul anodului crește. Mergeți suficient de departe și începeți să dizolvați cuprul electrochimic. Acest lucru nu este controversat - este documentat în literatură și orice inginer de celule cu experiență a văzut-o.
Problema apare în pachete-conectate în serie în care celulele au capacități nepotrivite. Celula cea mai slabă se golește mai întâi, apoi este condusă în inversare de către celelalte celule. Designerii de pachete au introdus circuite de protecție pentru asta. Dar circuitele de protecție eșuează uneori. Circuitele integrate de protecție contrafăcute sunt un lucru real în lanțul de aprovizionare. Plăci BMS ieftine cu componente care nu îndeplinesc specificațiile. Am văzut dizolvarea cuprului în pachete care se presupune că aveau protecție împotriva inversării.
Siliciul face totul mai greu
Vin anozii de siliciu. Toată lumea știe că siliciul stochează mai mult litiu decât grafit - de aproximativ de zece ori mai mult pe bază de masă. Ceea ce oamenii nu se gândesc întotdeauna este ceea ce face siliciul colectorului actual.
Siliciul se extinde masiv atunci când este litiat. Peste 300 la sută modificarea volumului. Stratul anodic se umflă și se contractă la fiecare ciclu. Folia convențională de cupru nu a fost proiectată pentru acest tip de solicitare mecanică. Crăpare de oboseală. delaminare. Pierderea contactului electric. Unii dezvoltatori de anozi de siliciu lucrează cu aliaje de cupru cu rezistență ridicată-sau folii structurate-3D cu porozitate-încorporată pentru a se adapta expansiunii. Este o zonă activă, o mulțime de dezvoltare proprietară, niciun câștigător clar încă.
Un startup cu care am vorbit anul trecut a folosit o folie de aliaj de cupru-nichel-siliciu care menținea rezistența la tracțiune peste 500 MPa la temperaturi ridicate. Schimbul-a fost o conductivitate mai scăzută - poate 60% din cuprul pur. Pentru aplicarea lor a funcționat. Nu este clar dacă se scalează.
Realitățile lanțului de aprovizionare
Majoritatea foliei de cupru pentru baterii provin de la câțiva producători din China, Japonia și Coreea. Furukawa, Mitsui, Iljin, Tongguan - aceste nume apar pe fișele de specificații din nou și din nou. Producătorii de celule nord-americani și europeni importă în mare parte. Se vorbește despre localizarea producției de folie pe măsură ce capacitatea bateriei regionale este online, dar este nevoie de ani pentru a construi această capacitate. Producția de folii electrolitice este echipamente-intensive și know-contează. Nu puteți să cumpărați mașini și să începeți să expediați folie de calitate în trimestrul următor.
Prețurile urmează prețurile mărfurilor de cupru plus o taxă de conversie. Foliile mai subțiri impun taxe de conversie mai mari, deoarece randamentele sunt mai mici și controlul calității este mai greu. Diferența dintre prețurile de 8 microni și 4,5 microni reflectă această dificultate.
Ceea ce contează de fapt
Folia de cupru este o componentă matură în multe feluri. Tehnologia de bază de producție nu s-a schimbat dramatic în decenii. Dar specificațiile continuă să se înăsprească pe măsură ce cerințele de performanță ale celulei cresc. Rezistența la tracțiune, alungirea, uniformitatea grosimii, rugozitatea suprafeței, rezistența la coroziune - toate acestea influențează calitatea și durata de viață a celulei.
Inginerii cu care lucrez tratează uneori folia ca pe o achiziție de mărfuri. Obțineți cel mai ieftin furnizor care îndeplinește specificațiile și treceți mai departe. Asta funcționează până nu funcționează. Câteva ppm mai multă umiditate în folie, o distribuție a rugozității ușor în afara limitelor de control, un lot slab care a trecut de QC deoarece planul de eșantionare nu a fost suficient de strâns - oricare dintre acestea poate apărea ca defecțiuni în câmp luni sau ani mai târziu. Până atunci este prea târziu pentru a repara ieftin.
Nimeni nu va înlocui cuprul în curând. Aluminiul nu funcționează la potențialul anodic. Nichelul costă prea mult. Foliile compozite cu miez de polimer sunt în dezvoltare, dar nu sunt gata de producție-. Cel puțin în următorii zece ani, folia de cupru rămâne acolo unde este: în fiecare celulă de litiu-ion, făcându-și treaba în liniște, până când ceva nu merge bine.
