A folha de alumínio é o substrato metálico mais utilizado em novas baterias de energia, e a razão é física e não comercial. O alumínio tem densidade de cerca de 2,7 g/cm³, cerca de um terço da do cobre, enquanto sua condutividade elétrica atinge cerca de 60% do padrão internacional de cobre recozido. Além disso, uma fina película de óxido natural se forma instantaneamente na superfície e permanece estável contra a maioria dos eletrólitos orgânicos dentro da janela normal de potencial de trabalho de um cátodo. Essas três propriedades, baixa massa, alta condutividade e estabilidade eletroquímica, são exatamente o que um coletor de corrente precisa.
Onde a folha de alumínio fica dentro de uma nova célula de energia
Uma nova bateria de energia é montada a partir de quatro peças funcionais básicas. O eletrodo positivo armazena carga, o eletrodo negativo libera carga, o eletrólito transporta íons entre os dois e o separador mantém os eletrodos fisicamente separados. Em torno deste núcleo ficam a caixa, os terminais e o sistema de gerenciamento da bateria. A folha de alumínio é o transportador do eletrodo positivo: o pó ativo (material ternário, fosfato de ferro-lítio ou óxido de metal de transição de sódio) é revestido em ambas as faces da folha, seco e calandrado, e a folha então coleta os elétrons gerados durante a descarga e os entrega à aba.
Como a folha fica atrás do material ativo e não na frente dele, ela não contribui com nenhuma capacidade própria, mas decide quão uniformemente a corrente é retirada do revestimento. Espessura uniforme, baixa resistência superficial e uma superfície limpa e molhável são, portanto, requisitos funcionais e não reivindicações de marketing.
Consumo de Folha por Química Celular
A quantidade de folha que uma planta de bateria consome é determinada pela química, formato da célula e densidade de energia. A prática de cálculo da indústria usa um valor por gigawatt-hora:
| Química celular | Folha de alumínio por GWh | Participação no custo da folha da célula |
|---|---|---|
| Ternário (NCM / NCA) | 300 - 450 t | cerca de 1,5% - 2.0% |
| Fosfato de ferro-lítio (LFP) | 400 - 600 t | ligeiramente acima do ternário |
| Íon-de sódio | 700 - 1,000 t | cerca de 5,0% |
As células LFP precisam de mais folha do que as células ternárias porque sua densidade de energia volumétrica é menor, portanto, uma área maior do eletrodo deve ser revestida para a mesma energia armazenada, e cada metro quadrado de eletrodo carrega uma folha no lado do coletor de corrente. As células de íons de sódio aumentam drasticamente o número por um motivo diferente: o sódio não reage com o alumínio no potencial negativo do eletrodo, então o alumínio pode servir como coletor tanto no lado positivo quanto no negativo, em vez do cobre. Isso dobra o conteúdo da folha da célula e aumenta sua participação no custo da célula para cerca de 5,0%.
Seleção de espessura e liga
O medidor é selecionado principalmente pela necessidade de energia e pelo processo de revestimento executado pelo cliente. Uma folha mais fina reduz a massa celular e o custo, mas também aumenta a resistência elétrica e torna a teia mais difícil de revestir sem enrugar.
Células de consumo e 3C:geralmente 9 µm a 11 µm.
Células de armazenamento de energia e energia:geralmente 12 µm a 15 µm.
Projetos especiais de alta taxa:uma proporção muito pequena do mercado utiliza folhas acima de 15 µm.
Ligas típicas:Alumínio 1060, 1070 e 1235, fornecido em têmpera macia (O) com superfície laminada e lavada com óleo.
A folha é entregue em forma de bobina e cortada na largura da linha de revestimento do cliente. O diâmetro do rolo, o tipo de núcleo, a liberdade de emenda e a qualidade da borda são acordados com o fabricante da célula porque uma única rebarba ou uma borda dobrada pode rasgar a teia de revestimento e parar uma linha por horas.
Condição da superfície: molhabilidade, planicidade e furos
A pasta de eletrodo é uma pasta viscosa, à base de solvente ou à base de água, e só se espalhará uniformemente em uma superfície que umedeça adequadamente. O óleo de rolamento residual, o pó de óxido ou a umidade adsorvida reduzem a molhabilidade e produzem manchas expostas, furos no revestimento e adesão irregular após a secagem. Os fornecedores, portanto, classificam as folhas por molhabilidade, e uma nota superior de A+ é o nível de aceitação normal para folhas de bateria.
Três outros parâmetros são controlados em paralelo. A tolerância de espessura deve ser suficientemente apertada para que a folga do revestimento não se desloque através de uma bobina de dois quilómetros. A planicidade deve ser boa o suficiente para que a teia não flutue através do forno de secagem, o que causaria ondulações nas bordas e listras no revestimento. A contagem de furos deve ser baixa, porque um furo passante no coletor de corrente cria um ponto de alta resistência que pode gerar aquecimento local durante o carregamento rápido.
Células de íons-de sódio e a mudança para eletrodos duplos de alumínio
A química do íon -sódio geralmente é posicionada para armazenamento estacionário, onde o custo por quilowatt-hora e o ciclo de vida são mais importantes do que a densidade de energia gravimétrica. Como ambos os eletrodos podem ser de alumínio, a célula não precisa mais de um coletor anódico de folha de cobre. Isso remove totalmente o cobre da lista de materiais e elimina o risco de fornecimento associado a ele, ao mesmo tempo que aceita uma célula mais pesada. Para uma instalação de armazenamento, o peso extra é irrelevante, e o design simplificado do coletor de metal único também reduz a complexidade da reciclagem, uma vez que o pacote não contém mais um fluxo misto de coletor de cobre e alumínio.
Especificando a folha.Uma especificação completa deve fixar a liga e a têmpera, a espessura e tolerância nominais, a largura e o diâmetro interno da bobina, as propriedades mecânicas após a entrega, o grau de molhabilidade, a contagem máxima de furos, o limite de limpeza da superfície e a embalagem necessária para manter a bobina seca e sem danos durante o transporte. Quando as propriedades mecânicas são mencionadas, os valores de resistência à tração e alongamento devem ser indicados na têmpera realmente fornecida, uma vez que as propriedades medidas em uma amostra de laboratório de uma têmpera diferente não podem ser comparadas. Os compradores também devem concordar com o plano de amostragem e com o método de teste usado para cada parâmetro antes do envio da primeira bobina, porque os resultados de molhabilidade e pinhole dependem do método.
Perguntas frequentes
P: Qual a espessura da folha de alumínio usada em uma bateria de-íon de lítio?
As células de consumo e 3C geralmente usam folhas de 9 µm a 11 µm, enquanto as células de energia e de armazenamento de energia geralmente usam 12 µm a 15 µm. Apenas uma pequena parcela dos designs especiais ultrapassa 15 µm.
P: Por que uma bateria de íon-de sódio usa muito mais papel alumínio?
O sódio não reage com o alumínio no potencial anódico, então o alumínio pode ser usado como coletor para ambos os eletrodos. O consumo aumenta para cerca de 700 - 1.000 t por GWh em vez de 300 - 450 t para uma célula ternária.
P: Quais ligas de alumínio são usadas para coletores de corrente de bateria?
1060, 1070 e 1235 são as classes comuns, normalmente fornecidas em têmpera O suave com superfície lavada com óleo. A escolha da liga é determinada pela condutividade, conformabilidade e largura da bobina que a linha celular requer.
P: Que parcela do custo da célula representa a folha de alumínio?
Nas células de íon-de lítio, a folha representa cerca de 1,5% a 2,0% do custo. Nas células de íons de sódio, onde ambos os eletrodos utilizam alumínio, a participação sobe para cerca de 5,0%.
P: A folha da bateria precisa de revestimento ou tratamento de superfície?
Nenhum revestimento é aplicado na produção normal. O requisito é uma superfície limpa e isenta de óleo com um grau de molhabilidade A+ para que a pasta do eletrodo seja molhada uniformemente, além de tolerância de espessura restrita, boa planicidade e baixa contagem de furos.
P: Como é calculado o consumo de folhas para uma nova fábrica de baterias?
Os planejadores multiplicam a capacidade anual planejada em GWh pelo consumo por gigawatt-hora do produto químico escolhido e, em seguida, adicionam uma margem de sucata para perdas de revestimento e corte. Isso dá a tonelagem anual a ser contratada.
