Aluminiumsfolie er det mest anvendte metalliske substrat i nye energibatterier, og årsagen er fysisk snarere end kommerciel. Aluminium har en massefylde på omkring 2,7 g/cm³, omkring en tredjedel af kobbers, mens dets elektriske ledningsevne når omkring 60 % af den internationale udglødede kobberstandard. Derudover dannes en tynd naturlig oxidfilm øjeblikkeligt på overfladen og forbliver stabil mod de fleste organiske elektrolytter inden for det normale arbejdspotentialevindue for en katode. Disse tre egenskaber, lav masse, høj ledningsevne og elektrokemisk stabilitet, er præcis, hvad en strømaftager har brug for.
Hvor aluminiumsfolie sidder inde i en ny energicelle
Et nyt energibatteri er samlet af fire grundlæggende funktionelle dele. Den positive elektrode gemmer ladning, den negative elektrode frigiver ladning, elektrolytten transporterer ioner mellem de to, og separatoren holder elektroderne fysisk adskilt. Omkring denne kerne sidder huset, terminalerne og batteristyringssystemet. Aluminiumsfolien er bæreren af den positive elektrode: det aktive pulver (ternært materiale, lithiumjernfosfat eller et natriumovergangsmetaloxid) er coatet på begge sider af folien, tørret og kalandreret, og folien opsamler derefter elektronerne, der genereres under afladningen, og leverer dem til tappen.
Fordi folien sidder bag det aktive materiale i stedet for foran det, bidrager den ikke med sin egen kapacitet, men den bestemmer, hvor jævnt strøm der trækkes fra belægningen. Ensartet tykkelse, lav overflademodstand og en ren, fugtbar overflade er derfor funktionelle krav, ikke markedsføringskrav.
Folieforbrug ved cellekemi
Mængden af folie, et batterianlæg forbruger, er drevet af kemi, celleformat og energitæthed. Brancheberegningspraksis bruger et tal pr. gigawatt time:
| Cellekemi | Alufolie pr. GWh | Folieomkostningsandel af celle |
|---|---|---|
| Ternær (NCM / NCA) | 300 - 450 t | ca. 1,5 % - 2.0 % |
| Lithiumjernfosfat (LFP) | 400 - 600 t | lidt over ternær |
| Natrium-ion | 700 - 1,000 t | omkring 5,0 % |
LFP-celler har brug for mere folie end ternære celler, fordi deres volumetriske energitæthed er lavere, så et større elektrodeareal skal belægges for den samme lagrede energi, og hver kvadratmeter elektrode bærer folie på strømaftagersiden. Natrium-ionceller trækker figuren kraftigt op af en anden grund: natrium reagerer ikke med aluminium ved det negative elektrodepotentiale, så aluminium kan fungere som opsamler på både den positive og den negative side i stedet for kobber. Det fordobler folieindholdet i cellen og løfter dens andel af celleomkostningerne til omkring 5,0 %.
Valg af tykkelse og legering
Måler vælges hovedsageligt efter strømbehov og af den belægningsproces, kunden kører. Tyndere folie sænker cellemasse og omkostninger, men det øger også den elektriske modstand og gør nettet sværere at belægge uden at rynke.
Forbruger- og 3C-celler:generelt 9 µm til 11 µm.
Strøm- og energilagringsceller:generelt 12 µm til 15 µm.
Særlige højhastighedsdesigns:en meget lille del af markedet bruger folie over 15 µm.
Typiske legeringer:1060, 1070 og 1235 aluminium, leveret i blød (O) temperament med en valset, olievasket overflade.
Folie leveres i spoleform og spaltes til bredden af kundebelægningslinjen. Rullediameter, kernetype, splejsningsfrihed og kantkvalitet aftales med celleproducenten, fordi en enkelt grat eller en foldet kant kan rive belægningsbanen og stoppe en linje i timevis.
Overfladetilstand: fugtighed, fladhed og huler
Elektrodeslam er en tyktflydende, opløsningsmiddelbaseret eller vandbåret pasta, og den vil kun spredes jævnt på en overflade, der væder ordentligt. Rester af rulleolie, oxidstøv eller adsorberet fugt reducerer alle befugtningsevnen og giver bare pletter, huller i belægningen og ujævn vedhæftning efter tørring. Leverandører klassificerer derfor folie efter fugtbarhed, og en topklasse på A+ er det normale acceptniveau for batterifolie.
Yderligere tre parametre styres parallelt. Tykkelsestolerancen skal være stram nok til, at belægningsspalten ikke glider hen over en to kilometers spole. Fladheden skal være god nok til, at banen ikke blafrer gennem tørreovnen, hvilket vil give kantbølger og belægningsstriber. Pinhole-antal skal være lavt, fordi et gennemgående nålehul i strømaftageren skaber et højt modstandspunkt, der kan udløse lokal opvarmning under hurtig opladning.
Natrium-ionceller og skiftet til dobbelte aluminiumselektroder
Natrium-ionkemi er normalt placeret til stationær lagring, hvor omkostninger pr. kilowatttime og cykluslevetid betyder mere end gravimetrisk energitæthed. Fordi begge elektroder kan være af aluminium, behøver cellen ikke længere en kobberfolie anodesamler. Det fjerner kobber fra styklisten fuldstændigt og eliminerer den forsyningsrisiko, der er forbundet med den, mens den accepterer en tungere celle. For en lagerinstallation er den ekstra vægt irrelevant, og det forenklede enkelt metalopsamlerdesign reducerer også genanvendelseskompleksiteten, da pakken ikke længere indeholder en blandet kobber- og aluminiumopsamlerstrøm.
Angivelse af folien.En komplet specifikation bør fastsætte legeringen og temperamentet, den nominelle tykkelse og tolerance, spolens bredde og indvendige diameter, de mekaniske egenskaber efter levering, befugtningsgraden, det maksimale antal pinhole, grænsen for overfladerenhed og den nødvendige emballage for at holde spolen tør og ubeskadiget under transport. Hvor mekaniske egenskaber er angivet, bør trækstyrke og forlængelsesværdier angives ved det faktisk leverede temperament, da egenskaber målt på en laboratorieprøve med et andet temperament ikke kan sammenlignes. Købere bør også blive enige om prøveudtagningsplanen og om den testmetode, der anvendes for hver parameter, før den første spole afsendes, fordi befugtnings- og pinhole-resultater er metodeafhængige.
FAQ
Q: Hvilken tykkelse af aluminiumsfolie bruges i et lithium-ionbatteri?
Forbruger- og 3C-celler bruger generelt 9 µm til 11 µm folie, mens strøm- og energilagringsceller generelt bruger 12 µm til 15 µm. Kun en lille andel af specialdesigns går over 15 µm.
Spørgsmål: Hvorfor bruger et natrium-ionbatteri så meget mere aluminiumsfolie?
Natrium reagerer ikke med aluminium ved anodepotentialet, så aluminium kan bruges som opsamler for begge elektroder. Forbruget stiger til omkring 700 - 1.000 t pr. GWh i stedet for 300 - 450 t for en ternær celle.
Q: Hvilke aluminiumslegeringer bruges til batteristrømaftagere?
1060, 1070 og 1235 er de almindelige kvaliteter, som normalt leveres i blød O-temperering med en olievasket overflade. Valg af legering er drevet af ledningsevne, formbarhed og bredden af spolen, som cellelinjen kræver.
Q: Hvor stor en andel af celleomkostningerne repræsenterer aluminiumsfolien?
I lithium-ionceller tegner folien sig for omkring 1,5 % til 2,0 % af omkostningerne. I natrium-ionceller, hvor begge elektroder bruger aluminium, stiger andelen til omkring 5,0 %.
Sp: Har batterifolie brug for en overfladebelægning eller -behandling?
Der påføres ingen belægning i normal produktion. Kravet er en ren, oliefri overflade med en befugtningsgrad på A+, så elektrodeopslæmningen væder jævnt, plus en stram tykkelsestolerance, god planhed og et lavt antal nålehuller.
Q: Hvordan beregnes folieforbruget for et nyt batterianlæg?
Planlæggere multiplicerer den planlagte årlige kapacitet i GWh med forbruget pr. gigawatt-time for den valgte kemi, og tilføjer derefter et skrottillæg for belægnings- og slidstab. Det giver den årlige tonnage, der skal kontraheres.
