رقائق الألومنيوم الخاصة بالبطارية لخلايا أيونات الليثيوم والصوديوم

رقائق الألومنيوم هي الركيزة المعدنية الأكثر استخدامًا في بطاريات الطاقة الجديدة، والسبب مادي وليس تجاري. تبلغ كثافة الألومنيوم حوالي 2.7 جم/سم3، أي ما يقرب من ثلث كثافة النحاس، بينما تصل موصليته الكهربائية إلى حوالي 60% من المعيار الدولي للنحاس الملدن. علاوة على ذلك، يتشكل فيلم أكسيد طبيعي رقيق على الفور على السطح ويظل مستقرًا ضد معظم الشوارد العضوية داخل نافذة جهد العمل العادية للكاثود. هذه الخصائص الثلاث، الكتلة المنخفضة، والموصلية العالية، والاستقرار الكهروكيميائي، هي بالضبط ما يحتاجه المجمع الحالي.

حيث توجد رقائق الألومنيوم داخل خلية طاقة جديدة

يتم تجميع بطارية الطاقة الجديدة من أربعة أجزاء وظيفية أساسية. يخزن القطب الموجب الشحنة، ويطلق القطب السالب شحنة، وينقل الإلكتروليت الأيونات بين الاثنين، ويبقي الفاصل بين الأقطاب الكهربائية فيزيائيًا. حول هذا القلب يوجد الهيكل والمحطات الطرفية ونظام إدارة البطارية. رقائق الألومنيوم هي الناقل للقطب الموجب: يتم تغليف المسحوق النشط (مادة ثلاثية، فوسفات حديد الليثيوم أو أكسيد فلز انتقالي للصوديوم) على كلا وجهي الرقاقة، وتجفيفه وتقويمه، ثم تقوم الرقاقة بعد ذلك بجمع الإلكترونات المتولدة أثناء التفريغ وتسليمها إلى علامة التبويب.

ونظرًا لأن الرقاقة توضع خلف المادة النشطة وليس أمامها، فإنها لا تساهم بأي قدرة خاصة بها، ومع ذلك فهي تقرر مدى تساوي سحب التيار من الطلاء. وبالتالي فإن السُمك الموحد ومقاومة السطح المنخفضة والسطح النظيف القابل للبلل هي متطلبات وظيفية وليست مطالبات تسويقية.

استهلاك الرقائق عن طريق كيمياء الخلية

تعتمد كمية الرقائق التي يستهلكها مصنع البطاريات على الكيمياء وشكل الخلية وكثافة الطاقة. تستخدم ممارسة حساب الصناعة رقمًا لكل جيجاوات في الساعة:

تحتاج خلايا LFP إلى رقائق أكثر من الخلايا الثلاثية لأن كثافة طاقتها الحجمية أقل، لذلك يجب طلاء مساحة قطب كهربائي أكبر لنفس الطاقة المخزنة، وكل متر مربع من القطب يحمل رقائق على جانب المجمع الحالي. تقوم خلايا أيون الصوديوم- بسحب الشكل لأعلى بشكل حاد لسبب مختلف: لا يتفاعل الصوديوم مع الألومنيوم عند جهد القطب السالب، لذلك يمكن للألمنيوم أن يعمل كمجمع على كلا الجانبين الموجب والسالب بدلاً من النحاس. يؤدي ذلك إلى مضاعفة محتوى الرقائق في الخلية ورفع حصتها من تكلفة الخلية إلى 5.0% تقريبًا.

سمك واختيار سبائك

يتم اختيار المقياس بشكل أساسي حسب متطلبات الطاقة ومن خلال عملية الطلاء التي يجريها العميل. تعمل الرقائق الرقيقة على تقليل كتلة الخلية وتكلفتها، ولكنها تزيد أيضًا من المقاومة الكهربائية وتجعل من الصعب تغطية الشبكة دون تجعد.

خلايا المستهلك و3C:عموما 9 ميكرومتر إلى 11 ميكرومتر.

خلايا تخزين الطاقة والطاقة:عموما 12 ميكرومتر إلى 15 ميكرومتر.

تصاميم خاصة بمعدلات عالية:تستخدم نسبة صغيرة جدًا من السوق رقائق معدنية يزيد سمكها عن 15 ميكرومتر.

سبائك نموذجية:ألومنيوم 1060 و1070 و1235، مزود بمزاج ناعم (O) مع سطح ملفوف ومغسول بالزيت.

يتم تسليم الرقائق في شكل ملف ويتم شقها بعرض خط طلاء العميل. يتم الاتفاق على قطر اللفة ونوع النواة وحرية اللصق وجودة الحافة مع صانع الخلايا لأن نتوءًا واحدًا أو حافة مطوية يمكن أن تمزق شبكة الطلاء وتوقف الخط لساعات.

حالة السطح: قابلية البلل والتسطيح والثقوب

ملاط القطب الكهربائي عبارة عن معجون لزج، يحمله المذيبات أو الماء، وسوف ينتشر بالتساوي فقط على السطح الذي يبلل بشكل صحيح. إن الزيت المتداول المتبقي أو غبار الأكسيد أو الرطوبة الممتصة كلها تقلل من قابلية البلل وتنتج بقع عارية وثقوب في الطلاء والتصاق غير متساوٍ بعد التجفيف. ولذلك يقوم الموردون بتصنيف الرقاقة حسب قابلية البلل، والدرجة العليا A+ هي مستوى القبول الطبيعي لرقائق البطارية.

يتم التحكم في ثلاث معلمات أخرى بالتوازي. يجب أن يكون تحمل السُمك محكمًا بدرجة كافية بحيث لا تنجرف فجوة الطلاء عبر ملف يبلغ طوله كيلومترين. يجب أن يكون التسطيح جيدًا بدرجة كافية حتى لا ترفرف الشبكة عبر فرن التجفيف، مما قد يتسبب في تموجات الحواف وخطوط الطلاء. يجب أن يكون عدد الثقب منخفضًا، لأن الثقب الموجود في المجمع الحالي يخلق نقطة مقاومة عالية يمكن أن تؤدي إلى تسخين محلي أثناء الشحن السريع.

خلايا أيون الصوديوم-والتحول إلى أقطاب الألومنيوم المزدوجة

يتم وضع كيمياء أيونات الصوديوم- عادةً للتخزين الثابت، حيث تكون التكلفة لكل كيلووات في الساعة ودورة الحياة أكثر أهمية من كثافة الطاقة الوزنية. نظرًا لأن كلا القطبين يمكن أن يكونا من الألومنيوم، فإن الخلية لم تعد بحاجة إلى مجمع أنود من رقائق النحاس. يؤدي ذلك إلى إزالة النحاس من قائمة المواد بالكامل ويزيل مخاطر العرض المرتبطة به، مع قبول خلية أثقل. بالنسبة لتركيب التخزين، لا يكون الوزن الزائد ذا صلة، كما أن التصميم المبسط للمجمع المعدني الفردي يقلل أيضًا من تعقيد إعادة التدوير، نظرًا لأن العبوة لم تعد تحتوي على تيار مختلط من النحاس والألومنيوم.

تحديد احباط.يجب أن تحدد المواصفات الكاملة السبيكة والمزاج، والسمك الاسمي والتسامح، وعرض الملف والقطر الداخلي، والخواص الميكانيكية بعد التسليم، ودرجة قابلية البلل، والحد الأقصى لعدد الثقب، وحد نظافة السطح، والتغليف اللازم للحفاظ على الملف جافًا وغير تالف أثناء النقل. عندما يتم استدعاء الخواص الميكانيكية، يجب ذكر قيم قوة الشد والاستطالة عند درجة الحرارة الموردة بالفعل، حيث لا يمكن مقارنة الخصائص المقاسة على عينة معملية ذات درجة حرارة مختلفة. يجب على المشترين أيضًا الاتفاق على خطة أخذ العينات وعلى طريقة الاختبار المستخدمة لكل معلمة قبل شحن الملف الأول، لأن قابلية البلل ونتائج الثقب تعتمد على الطريقة.

التعليمات

س: ما سمك رقائق الألومنيوم المستخدم في بطارية أيون الليثيوم-؟
تستخدم الخلايا الاستهلاكية وخلايا 3C بشكل عام رقائق من 9 ميكرومتر إلى 11 ميكرومتر، بينما تستخدم خلايا تخزين الطاقة والطاقة بشكل عام 12 ميكرومتر إلى 15 ميكرومتر. فقط حصة صغيرة من التصاميم الخاصة تتجاوز 15 ميكرومتر.

س: لماذا تستخدم بطارية أيون الصوديوم- كمية أكبر من رقائق الألومنيوم؟
لا يتفاعل الصوديوم مع الألومنيوم عند جهد الأنود، لذلك يمكن استخدام الألومنيوم كمجمع لكلا القطبين. يرتفع الاستهلاك إلى حوالي 700 - 1,000 طن لكل جيجاوات ساعة بدلاً من 300 - 450 طن للخلية الثلاثية.

س: ما هي سبائك الألومنيوم المستخدمة في تجميع تيار البطارية؟
1060، 1070 و1235 هي الدرجات الشائعة، والتي يتم توفيرها عادةً بمزاج O ناعم مع سطح مغسول بالزيت. يعتمد اختيار السبائك على الموصلية والقابلية للتشكيل وعرض الملف الذي يتطلبه خط الخلية.

س: ما هي حصة تكلفة الخلية التي تمثلها رقائق الألومنيوم؟
في خلايا أيونات الليثيوم-، تمثل الرقائق ما يقرب من 1.5% إلى 2.0% من التكلفة. في خلايا أيون الصوديوم-، حيث يستخدم كلا القطبين الألومنيوم، ترتفع الحصة إلى حوالي 5.0%.

س: هل تحتاج رقائق البطارية إلى طلاء سطحي أو معالجة؟
لا يتم تطبيق أي طلاء في الإنتاج العادي. الشرط المطلوب هو سطح نظيف وخالي من الزيوت مع درجة قابلية للبلل تبلغ A+ بحيث يبلل ملاط ​​القطب بالتساوي، بالإضافة إلى تحمل محكم للسمك، وتسطيح جيد، وعدد منخفض من الثقوب.

س: كيف يتم حساب استهلاك الرقائق لمصنع بطاريات جديد؟
ويضرب المخططون القدرة السنوية المخططة بالجيجاباوات في الساعة باستهلاك كل جيجاوات في الساعة من المواد الكيميائية المختارة، ثم يضيفون بدل الخردة لخسائر الطلاء والتقطيع. وهذا يعطي الحمولة السنوية التي سيتم التعاقد عليها.