Що таке мідна фольга?

Що таке мідна фольга?

Матеріал, про який ніхто не говорить, поки щось не піде не так

Кожен літій-іонний акумулятор містить мідну фольгу. Ваш телефон, ваш ноутбук, електромобіль, припаркований біля - – усі вони. Фольга розташована за графітовим анодом і виконує одну роботу: переміщує електрони всередину та назовні. Не гламурно. Постачальники не отримують основних промов на конференціях щодо батарей. Але коли фольга виходить з ладу, виходить з ладу вся клітина.

Я провів у цій галузі п'ятнадцять років. Раніше я не думав про мідну фольгу. Катодні матеріали привернули всю увагу - співвідношення NCM, джерела кобальту тощо. Фольга просто була. Потім я почав бачити клітини, які повертаються з поля з проблемами розчинення міді, і я зрозумів, як мало більшість інженерів насправді розуміють, що відбувається на цьому інтерфейсі.

Товщина мідної фольги для акумулятора- становить від 6 до 12 мікрон для більшості застосувань. Деякі виробники підштовхнули до 4,5 мікрон. Розмір людської волосини становить близько 70 мікрон, щоб дати вам відчуття масштабу.

Два способи зробити це. Електролітичне осадження - ви розчиняєте мідь у сірчаній кислоті, пропускаєте струм через розчин, і мідні пластини надходять на обертовий барабан. Зніміть шкірку, згорніть. Це понад 90 відсотків ринку. Інший метод — це прокатка, коли ви починаєте з мідного злитка та механічно стоншуєте його через повторні проходи. Прокатка забезпечує кращі механічні властивості, але коштує дорожче. Більшість виробників клітин не хочуть платити премію.

Copper Foil

Тонша фольга означає більше місця для активного матеріалу в тому самому об’ємі комірки. Це щільність енергії. Перехід із фольги товщиною 8 мікрон на 6 мікрон за останнє десятиліття дав виробникам клітинок реальний поштовх, не змінюючи нічого іншого в їхніх конструкціях. Стати тоншим за 6 мікрон стає важче. Під час нанесення покриття фольга рветься. Він зморщується в машині для намотування. Зниження врожайності.

Кілька років тому я відвідав лінію покриття в провінції Цзянсу, де вони перевіряли 4,5 мікронну фольгу. Операторам довелося знизити швидкість лінії на 30 відсотків, щоб фольга не порвалася. Ніхто не був радий цьому. Пропускна здатність має значення, коли ви намагаєтеся досягти цільових витрат.

Електролітична фольга має дві сторони. Сторона барабана блискуча і гладка. Інша сторона - матова сторона - має більше текстури. Ви наносите анодний шлам на матову сторону, оскільки шорсткість сприяє адгезії. Досить просто в теорії. Copper Foil

Але шорсткість поверхні — це компроміс. Занадто гладкий, і покриття відшаровується після кількох сотень циклів. Занадто грубий, і ви отримаєте тонкі плями на покритті, де чиста мідь контактує з електролітом. Це погано. Мідь розчиняється в електроліті за певних умов, мігрує до катода, пластин і зрештою замикає елемент. Я бачив, що клітини так виходили з ладу після того, як вони залишалися в сховищі - навіть без циклу, просто сиділи там із корозійним струмоприймачем.

Постачальники фольги витрачають багато зусиль на контроль шорсткості. Пакети присадок у ванну для покриття. Етапи після-лікування. Деякі постачальники також роблять легку шорсткість на стороні барабана, якщо обидві сторони покриваються.

Стандартним електролітом у літій-іонних елементах є LiPF6, розчинений в органічних карбонатах. Він не повинен атакувати мідь. Мідь стабільна при анодних потенціалах. Але завжди є забруднення вологи - частин на мільйон, звичайно, але воно є. Волога реагує з LiPF6 з утворенням HF. Плавикова кислота. Неприємні речі. Їсть мідь.

Один тип відмови, який я досліджував кілька разів: покриття анода тріскається під час циклу, оголює оголену фольгу, і ВЧ починає працювати. Розчинені іони міді дрейфують через сепаратор, осідають на катоді у вигляді металевої міді, і зрештою ви отримуєте м’яке замикання. Зникнення ємності прискорюється. Іноді вентиляційні отвори камери. Ми відстежили одне відкликання до поганої партії фольги, яка мала надмірну кількість оксиду на поверхні - шар оксиду не захищав нижню мідь належним чином.

Розрядіть елемент нижче його граничної напруги, і потенціал анода підвищиться. Зайдіть досить далеко, і ви почнете розчиняти мідь електрохімічно. Це не є суперечливим - це задокументовано в літературі, і будь-який досвідчений інженер із клітинної системи це бачив.

Проблема проявляється в послідовно-з’єднаних пакетах, де клітини мають невідповідну ємність. Найслабша клітина спочатку спорожняється, а потім інші клітини повертаються назад. Для цього розробники корпусу встановили схеми захисту. Але схеми захисту іноді виходять з ладу. Мікросхеми захисту від підробок — реальна річ у ланцюжку поставок. Дешеві плати BMS з компонентами, які не відповідають специфікаціям. Я бачив розчинення міді в пакетах, які нібито мали захист від зворотного ходу.

Надходять кремнієві аноди. Усі знають, що кремній зберігає більше літію, ніж графіт - приблизно в десять разів більше за масою. Люди не завжди замислюються про те, що кремній робить зі струмоприймачем.

Силіцій значно розширюється під час літування. Понад 300 відсотків зміни гучності. Кожного циклу анодний шар набухає і стискається. Звичайна мідна фольга не була розроблена для такого механічного впливу. Втомне розтріскування. Деламінація. Втрата електричного контакту. Деякі розробники кремнієвих анодів працюють із високо-міцними мідними сплавами або тривимірною-структурованою фольгою з вбудованою-пористістю для пристосування до розширення. Це активна сфера, багато власних розробок, явного переможця ще немає.

Один стартап, з яким я спілкувався минулого року, використовував фольгу зі сплаву міді-нікелю-кремнію, яка зберігала міцність на розрив понад 500 МПа за високих температур. Компромісом- була нижча провідність -, можливо, 60 відсотків чистої міді. Для їх застосування це спрацювало. Незрозуміло, чи він масштабується.

Copper Foil

Більшість акумуляторної мідної фольги надходить від кількох виробників у Китаї, Японії та Кореї. Furukawa, Mitsui, Iljin, Tongguan - ці імена з’являються в специфікаціях знову і знову. Північноамериканські та європейські виробники клітин здебільшого імпортують. Говорять про локалізацію виробництва фольги, оскільки регіональна ємність акумуляторів з’являється в мережі, але на створення такої можливості потрібні роки. Виробництво електролітичної фольги потребує-обладнання і має значення-ноу-хау. Ви не можете просто придбати машини та почати постачати якісну фольгу наступного кварталу.

Ціноутворення залежить від цін на мідь та комісії за конвертацію. Тонша фольга потребує вищих зборів за перетворення, оскільки врожайність нижча, а контроль якості важчий. Різниця між цінами на 8 мікрон і 4,5 мікрон відображає цю складність.

Мідна фольга є зрілим компонентом у багатьох відношеннях. Основна технологія виробництва не зазнавала кардинальних змін протягом десятиліть. Але технічні характеристики постійно посилюються, оскільки вимоги до продуктивності клітин зростають. Міцність на розрив, подовження, однорідність товщини, шорсткість поверхні, стійкість до корозії - все це впливає на якість і термін служби елементів.

Інженери, з якими я працюю, іноді сприймають фольгу як товарну покупку. Знайдіть найдешевшого постачальника, який відповідає специфікаціям, і рухайтеся далі. Це працює, поки не зникне. На кілька часток на мільйон більше вологи у фользі, розподіл шорсткості трохи поза контрольними межами, слабка партія, яка пройшла контроль якості, оскільки план відбору зразків був недостатньо жорстким - будь-яке з цього може виявитися через кілька місяців або років через помилки. Тоді вже пізно ремонтувати дешево.

Ніхто найближчим часом не замінить мідь. Алюміній не працює при анодних потенціалах. Нікель коштує занадто дорого. Композитні плівки з полімерним серцевиною розробляються, але не готові-до виробництва. Принаймні протягом наступних десяти років мідна фольга залишається там, де вона є: у кожному літій-іонному елементі, тихо виконуючи свою роботу, доки щось не піде не так.