Если вы разберете литий-ионную-батарею, вы обнаружите, что в качестве положительного электрода используется алюминиевая фольга, а в качестве отрицательного электрода используется медная фольга. Многие люди, когда впервые узнают эту деталь, задаются вопросом: почему нельзя поменяться ролями? Почему бы не использовать медную фольгу для положительного электрода и алюминиевую фольгу для отрицательного? Ответ ясен: это просто не сработает. Их замена помешает правильной работе аккумулятора и даже может привести к проблемам с безопасностью. Чтобы понять это, нам сначала нужно взглянуть на токосъемники. Что такое токосъемник? Проще говоря, он выполняет роль внутренней «проводки» аккумулятора. Поскольку материалы положительных и отрицательных электродов находятся в форме порошка и не могут быть подключены напрямую к внешним проводам, их необходимо наносить на металлическую фольгу; эта фольга собирает ток и передает его во внешнюю цепь. Фольга на положительной стороне называется коллектором положительного тока, а фольга на отрицательной стороне — коллектором отрицательного тока. Итак, почему именно алюминий используется для положительной стороны, а медь — для отрицательной? Все сводится к одному ключевому моменту: рабочие потенциалы положительных и отрицательных электродов сильно различаются. Токосъемник должен оставаться стабильным в пределах своего определенного диапазона потенциалов-он не может подвергаться коррозии или химическим реакциям. Почему в качестве отрицательного электрода необходимо использовать медную фольгу? Когда графитовый отрицательный электрод полностью заряжен, его потенциал падает почти до 0 В (по отношению к литиевому электроду)-чрезвычайно низкий уровень. Алюминий ведет себя катастрофически при этом потенциале. Исследования показывают, что когда потенциал алюминия падает ниже 0,284 В (относительно литиевого электрода), ионы лития «интеркалируются» в кристаллическую решетку алюминия, образуя литий-алюминиевый сплав. Этот процесс легирования вызывает значительное объемное расширение.-объем алюминия увеличивается почти на 97%. Уже через несколько циклов зарядки-разрядки алюминиевая фольга измельчается и крошится, полностью теряя свою функцию коллектора тока. Кроме того, этот процесс потребляет большое количество активного лития, что приводит к резкому снижению емкости аккумулятора. Медь, с другой стороны, гораздо более стабильна при низких потенциалах. Он не образует стабильных сплавов с литием; в диапазоне низких-потенциалов отрицательного электрода он не подвергается ни восстановлению, ни коррозии, сохраняя структурную целостность и надежную проводимость. Даже если на отрицательном электроде происходит литиевое покрытие, медный токосъемник остается неповрежденным. Поэтому в качестве отрицательного электрода подходит только медная фольга; алюминиевая фольга не подойдет. Почему в качестве положительного электрода необходимо использовать алюминиевую фольгу? Основные материалы положительных электродов работают при потенциалах от 2,5 В до 4,3 В (относительно литиевого электрода), что представляет собой диапазон высокого потенциала окисления. Медь не может противостоять такой среде. Его стойкость к окислению ограничена; при высоких потенциалах, превышающих 4 В, он окисляется до ионов меди и растворяется в электролите. Помимо постепенной коррозии самого токосъемника, растворенные ионы меди могут мигрировать через сепаратор и откладываться на поверхности анода, вызывая внутренние микро-короткие замыкания. Это приводит к постоянной деградации пропускной способности и возрастанию рисков безопасности. Алюминий, наоборот, остается стабильным при высоких потенциалах. При воздействии воздуха он естественным образом образует плотный пассивирующий слой оксида алюминия (Al₂O₃). Хотя этот слой является электроизолирующим, его толщина составляет всего несколько нанометров, что позволяет электронам проходить сквозь него за счет «эффекта квантового туннелирования». Это гарантирует беспрепятственную проводимость, в то время как слой действует как броня, защищая нижележащий алюминий от дальнейшего окисления. Алюминиевая фольга остается стабильной даже при потенциале 4,5 В и выше. Следовательно, алюминиевая фольга является единственным подходящим выбором для катодного токосъемника; медная фольга - нет. Помимо критерия электрохимической стабильности, на выбор между медной и алюминиевой фольгой влияют несколько практических факторов: Проводимость. И медь, и алюминий обладают превосходной проводимостью, уступая только серебру и золоту. Учитывая высокую стоимость серебра и золота, медь и алюминий представляют собой наиболее экономически-эффективные варианты. Масса. Алюминий имеет плотность 2,7 г/см³, тогда как медь – 8,9 г/см³. Использование алюминиевой фольги в качестве катода значительно снижает вес батареи, что существенно способствует повышению плотности энергии. Расходы. Алюминий дешевле меди, что обеспечивает значительную экономию при массовом производстве. Технологичность. Оба металла обладают превосходной пластичностью, что позволяет их прокатывать в сверхтонкую фольгу (6–12 микрометров), отвечающую требованиям процессов массового-производства, таких как нанесение покрытия и каландрирование. Адгезионная совместимость. Оксидный слой на алюминиевой фольге эффективно связывается с катодными активными материалами и связующими, а медная фольга обеспечивает превосходное соединение с анодным графитом и связующими. Есть ли исключения? Есть один особый случай: анод из титаната лития (LTO). Его рабочий потенциал составляет около 1,55 В, что выше порога легирования алюминия. Теоретически алюминиевую фольгу можно было бы использовать в качестве коллектора анодного тока для дальнейшего снижения стоимости и веса; однако в настоящее время отрасль полагается в первую очередь на устоявшееся решение для массового производства медной фольги. Кроме того, внимания заслуживает новая технология композитного токосъемника; Имея структуру «полимерная подложка плюс металлическое покрытие», он обеспечивает как легкие свойства, так и повышенную безопасность, поскольку металлический слой разрушается во время термического выхода из-под контроля, прерывая ток. Это представляет собой ключевой путь модернизации для батарей следующего-поколения с повышенной-безопасностью. Возвращаясь к исходному вопросу: использование алюминиевой фольги для катода и медной фольги для анода — это не произвольный выбор, а неизбежный результат, продиктованный электрохимическими принципами. Алюминий защищает себя с помощью пассивирующего слоя в условиях высокого-напряжения катода, в то время как медь сохраняет стабильность благодаря химической инертности в условиях низкого-напряжения анода-один противостоит окислению, другой сопротивляется легированию; каждый придерживается своей позиции, и ни один из них не может заменить другого.
