Pourquoi utiliser une feuille de cuivre pour l'électrode négative du collecteur de courant d'une batterie lithium-ion et une feuille d'aluminium pour l'électrode positive ?
Le collecteur de courant positif généralement utilisé dans les batteries lithium-ion est feuille d'aluminiumLe collecteur de courant négatif est une feuille de cuivre. Sa fonction principale est de conduire l'électricité. Ce matériau, similaire à celui de nos fils, utilise également du fil de cuivre ou d'aluminium. En effet, les conducteurs peuvent être classés en argent, cuivre, or, aluminium, tungstène, nickel et fer selon leur conductivité. Le meilleur matériau est sans conteste l'argent, mais les métaux précieux sont rares, et le cuivre et l'aluminium sont des ressources abondantes dans le monde, et leur prix est relativement bas.
Parallèlement, les batteries au lithium utilisent principalement deux méthodes de traitement : le bobinage et le laminage. Comparé au bobinage, le pôle utilisé pour la préparation de la batterie doit présenter une certaine flexibilité afin de ne pas se fragiliser lors du bobinage. Parmi les matériaux métalliques, la feuille de cuivre et d'aluminium est également plus tendre. En revanche, le cuivre et l'aluminium sont relativement stables à l'air. L'aluminium réagit facilement avec l'oxygène de l'air, formant un film d'oxyde dense à la surface de l'aluminium, empêchant ainsi toute réaction ultérieure. Ce film mince protège également l'aluminium de l'électrolyte. Le cuivre lui-même est relativement stable à l'air et ne réagit pratiquement pas à l'air sec. La couche d'oxyde à la surface du cuivre/nickel est un semi-conducteur et les électrons sont conducteurs ; tandis que la couche d'oxyde à la surface de l'aluminium est un isolant. Cette couche d'oxyde ne conduit pas l'électricité. Cependant, sa très faible épaisseur permet la conduction électronique par effet tunnel. Une couche d'oxyde épaisse augmente l'impédance, ce qui entraîne une mauvaise conductivité et une isolation uniforme. En règle générale, la surface du collecteur de courant doit être nettoyée avant utilisation. Cela permet d'une part d'éliminer les taches d'huile et, d'autre part, d'éliminer l'épaisse couche d'oxyde.
Le potentiel des électrodes positive et négative d'une batterie au lithium détermine si l'électrode positive utilise une feuille d'aluminium et l'électrode négative une feuille de cuivre, et non l'inverse. Le potentiel de l'électrode positive est élevé, la couche d'oxyde de cuivre/nickel est plus lâche et s'oxyde facilement à haut potentiel. En revanche, le potentiel d'oxydation de l'aluminium est élevé et la surface de la feuille d'aluminium présente une couche d'oxyde dense, ce qui assure une meilleure protection de l'aluminium.
Un autre point important est que l'aluminium subit une réaction d'alliage avec le lithium à faible potentiel (par exemple, l'électrode négative est le lithium à 0 V ou le graphite à 0.2 V) et est consommé. La taille des vides octaédriques de l'aluminium métallique est similaire à celle du lithium, et il est facile de former des composés interstitiels avec le lithium. Le lithium et l'aluminium forment non seulement un alliage de formule chimique LiAl, mais peuvent également former du Li3Al2 ou du Li4Al3. En raison de la forte activité de la réaction entre le métal Al et le lithium, le métal Al consomme une grande quantité de lithium, ce qui détruit sa structure et sa morphologie. Il ne peut donc pas être utilisé comme collecteur de courant de l'électrode négative d'une batterie lithium-ion. De plus, pendant la charge et la décharge de la batterie, le cuivre présente une faible capacité d'insertion du lithium, et sa structure et ses performances électrochimiques restent stables. Il peut être utilisé comme collecteur de courant de l'électrode négative d'une batterie lithium-ion ; cependant, si la surface cuivre/nickel est fortement oxydée, le lithium interagit avec l'oxyde de cuivre/nickel à un potentiel légèrement supérieur. Lors de l'intercalation du lithium, lorsque la feuille de cuivre est à 3.75 V, le courant de polarisation commence à augmenter significativement, puis de façon linéaire, et l'oxydation s'intensifie, indiquant que le cuivre devient instable à ce potentiel ; la feuille d'aluminium, quant à elle, est polarisée sur toute la plage de potentiel de polarisation. Le courant est faible et constant, aucun phénomène de corrosion évident n'est observé et la stabilité des performances électrochimiques est maintenue. Comme dans la plage de potentiel de l'électrode positive des batteries lithium-ion, l'aluminium présente une faible capacité d'insertion du lithium et peut maintenir une stabilité électrochimique, ce qui le rend adapté à une utilisation comme collecteur de courant d'électrode positive pour les batteries lithium-ion. Si une électrode négative à potentiel élevé (titanate de lithium 1.5 V) est utilisée, la feuille d'aluminium peut également servir de collecteur de courant.
Exigences de pureté des feuilles de cuivre et d'aluminium utilisées dans les batteries au lithium
Pour garantir la stabilité du collecteur de courant à l'intérieur de la batterie, la pureté des feuilles d'aluminium et de cuivre doit être supérieure à 98 %. Une composition en aluminium impure entraînerait un manque de densité du film de surface et une corrosion par piqûres, et même sa destruction entraînerait la formation d'un alliage LiAl.
Exigences d'épaisseur des feuilles de cuivre et d'aluminium pour les batteries au lithium
Avec le développement rapide des batteries au lithium ces dernières années, le développement de leurs collecteurs de courant a également progressé. L'épaisseur de la feuille d'aluminium positive a été réduite de 16 µm à 14 µm, puis à 12 µm au cours des années précédentes. Aujourd'hui, de nombreux fabricants de batteries produisent en série des feuilles d'aluminium de 10 µm, voire de 8 µm. Quant à la feuille de cuivre pour l'électrode négative, grâce à sa meilleure flexibilité, son épaisseur a été réduite de 12 µm à 10 µm, puis à 8 µm. Jusqu'à présent, de nombreux fabricants de batteries utilisent 6 µm en production de masse, et certains développent 5 µm/4 µm. Toutes ces utilisations sont possibles. Les batteries au lithium nécessitant une grande pureté du cuivre et de la feuille d'aluminium, la densité des matériaux est globalement la même. Plus l'épaisseur diminue, plus la densité surfacique diminue, et le poids de la batterie diminue naturellement, ce qui correspond à nos exigences en matière de batteries au lithium.
Afin de mieux s'adapter aux batteries au lithium, il est désormais possible de produire des feuilles d'aluminium spéciales pour batteries. Par exemple : Feuille d'aluminium pour batterie CHAL série. Feuille d'aluminium spéciale pour batterie, sa conception est plus conforme aux caractéristiques des batteries au lithium, peut mieux agir sur les batteries au lithium.
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