구리 포일이란 무엇입니까?

구리 포일이란 무엇입니까?

뭔가 잘못될 때까지 아무도 이야기하지 않는 자료

모든 리튬-이온 배터리에는 구리 호일이 들어 있습니다. 휴대폰, 노트북, EV가 모두 - 밖에 주차되어 있습니다. 호일은 흑연 양극 뒤에 위치하며 전자를 안팎으로 이동시키는 한 가지 작업을 수행합니다. 화려하지 않습니다. 공급업체는 배터리 컨퍼런스에서 기조 연설을 하지 않습니다. 그러나 호일이 파손되면 셀 전체가 파손됩니다.

저는 이 업계에서 15년을 보냈습니다. 동박은 제가 초기에 별로 생각한 것이 아니었습니다. 양극재는 - NCM 비율, 코발트 소싱 등 많은 관심을 받았습니다. 호일은 바로 거기에있었습니다. 그러다가 구리 용해 문제가 있는 현장에서 세포가 돌아오는 것을 보기 시작했고, 대부분의 엔지니어가 해당 인터페이스에서 무슨 일이 일어나고 있는지 실제로 이해하는 것이 얼마나 적은지 깨달았습니다.

배터리-등급 구리박은 대부분의 응용 분야에서 두께가 6~12미크론입니다. 일부 제조업체는 4.5미크론으로 밀었습니다. 사람의 머리카락은 약 70 마이크론으로 크기를 가늠할 수 있습니다.

그것을 만드는 두 가지 방법. 전해 증착(Electrolytic Deposition) - 구리를 황산에 용해시키고 용액에 전류를 흘려 회전 드럼에 구리 도금을 합니다. 껍질을 벗기고 말아주세요. 이는 시장의 90% 이상을 차지합니다. 다른 방법은 압연으로, 구리 주괴로 시작하여 반복적인 통과를 통해 기계적으로 얇게 만드는 것입니다. 롤링은 더 나은 기계적 특성을 제공하지만 비용이 더 많이 듭니다. 대부분의 셀 제조업체는 프리미엄을 지불하고 싶어하지 않습니다.

Copper Foil

포일이 얇아지면 동일한 셀 부피에 활성 물질을 위한 공간이 더 많아집니다. 그것은 에너지 밀도입니다. 지난 10년 동안 8미크론 포일에서 6미크론 포일로의 추진은 셀 제조업체에게 설계에 대한 다른 변경 사항 없이 실질적인 향상을 가져왔습니다. 6미크론보다 얇아지는 것은 더 어려워집니다. 코팅하는 동안 호일이 찢어집니다. 권취기에서 주름이 집니다. 수익률이 떨어집니다.

나는 몇 년 전 장쑤성에 있는 코팅 라인을 견학했는데 그곳에서 4.5 마이크론 포일을 인증받았습니다. 작업자들은 포일이 찢어지는 것을 방지하기 위해 라인 속도를 30% 줄여야 했습니다. 아무도 그것에 대해 기뻐하지 않았습니다. 비용 목표를 달성하려고 할 때 처리량은 중요합니다.

전해박에는 양면이 있습니다. 드럼면은 빛나고 매끄 럽습니다. 다른 면 - 무광택 면 -이 더 질감이 있습니다. 거칠기가 접착에 도움이 되므로 무광택 면에 양극 슬러리를 코팅합니다. 이론적으로는 충분히 간단합니다. Copper Foil

그러나 표면 거칠기는 절충안입니다. 너무 매끄럽고 수백 주기 후에 코팅이 벗겨집니다. 너무 거칠면 구리가 전해질과 접촉하는 코팅에 얇은 반점이 생깁니다. 그건 나쁘다. 구리는 특정 조건에서 전해질에 용해되어 음극으로 이동하여 거기에서 플레이트를 형성하고 결국 전지를 단락시킵니다. 나는 심지어 사이클링도 하지 않고 부식성 전류 집전체와 함께 거기에 앉아 있는 저장소 -에 앉아 있는 후에 세포가 이런 식으로 실패하는 것을 보았습니다.

포일 공급업체는 거칠기를 제어하는 데 많은 노력을 기울입니다. 도금욕의 첨가제 패키지. 치료 후-단계. 일부 공급업체는 양면이 코팅되는 용도를 위해 드럼 측면에도 가벼운 거칠기 처리를 수행합니다.

리튬-이온 셀의 표준 전해질은 유기 탄산염에 용해된 LiPF6입니다. 구리를 공격해서는 안 됩니다. 구리는 양극 전위에서 안정적입니다. 하지만 항상 습기 오염 -ppm이 존재합니다. 물론 그렇습니다. 수분은 LiPF6와 반응하여 HF를 형성합니다. 불산. 불쾌한 것들. 구리를 먹습니다.

제가 여러 번 조사한 실패 모드 중 하나는 사이클링 중에 양극 코팅이 균열되고, 노출된 호일이 노출되고, HF가 작동하는 것입니다. 용해된 구리 이온은 분리기를 통해 표류하고 금속 구리로 음극에 침전되며 결국에는 소프트 단락이 발생합니다. 용량 감소가 가속화됩니다. 때로는 세포 통풍구가 있습니다. 우리는 과도한 표면 산화물 -을 가지고 있는 불량 포일 배치에 대해 한 번의 리콜을 추적했습니다. 산화물 층이 기본 구리를 보호해야 하는 방식으로 보호하지 못했습니다.

컷오프 전압 이하로 셀을 방전하면 양극 전위가 상승합니다. 충분히 멀리 나아가면 구리가 전기화학적으로 용해되기 시작합니다. 이는 논란의 여지가 없습니다. - 이는 문헌에 기록되어 있으며 숙련된 셀 엔지니어라면 누구나 본 적이 있습니다.

문제는 셀 용량이 일치하지 않는 직렬{0}}연결 팩에서 나타납니다. 가장 약한 셀이 먼저 비워진 다음 다른 셀에 의해 반전됩니다. 팩 설계자는 이를 위해 보호 회로를 설치했습니다. 그러나 보호 회로가 작동하지 않는 경우가 있습니다. 위조 방지 IC는 공급망에서 실제로 존재합니다. 사양을 충족하지 않는 구성 요소가 포함된 저렴한 BMS 보드. 역전 방지 기능이 있는 것으로 추정되는 팩에서 구리가 용해되는 것을 본 적이 있습니다.

실리콘 양극이 다가오고 있습니다. 실리콘이 흑연보다 더 많은 리튬을 저장한다는 것은 누구나 알고 있습니다.- 질량 기준으로 약 10배 더 많은 양입니다. 사람들이 항상 생각하지 않는 것은 실리콘이 집전체에 미치는 영향입니다.

실리콘은 리튬화되면 엄청나게 팽창합니다. 300% 이상의 볼륨 변화. 양극층은 주기마다 팽창하고 수축합니다. 기존의 구리 포일은 그런 종류의 기계적 응력을 견디도록 설계되지 않았습니다. 피로 균열. 박리. 전기적 접촉이 끊어졌습니다. 일부 실리콘 양극 개발자는 팽창을 수용하기 위해 다공성이 내장된{8}}고인장 구리 합금 또는 3D{10}구조 포일을 사용하여 작업하고 있습니다. 이는 활발한 영역이고 독점 개발이 많이 이루어지고 있지만 아직 확실한 승자는 없습니다.

작년에 제가 이야기한 한 스타트업은 고온에서 500MPa 이상의 인장 강도를 유지하는 구리-니켈-실리콘 합금 포일을 사용하고 있었습니다. 절충안은-순수 구리의 전도도가 약 60%인 - 정도였습니다. 그들의 적용에는 효과가 있었습니다. 확장 여부는 확실하지 않습니다.

Copper Foil

대부분의 전지용 동박은 중국, 일본, 한국의 소수 생산업체에서 생산됩니다. Furukawa, Mitsui, Iljin, Tongguan - 이러한 이름은 사양 시트에 계속해서 나타납니다. 북미와 유럽의 셀 제조업체는 대부분 수입하고 있습니다. 지역 배터리 용량이 온라인화됨에 따라 포일 생산을 현지화한다는 이야기가 있지만 해당 기능을 구축하는 데는 수년이 걸립니다. 전해박 생산은 장비 집약적이며-노하우가-중요합니다. 기계를 구입하고 다음 분기에 고품질 호일 배송을 시작할 수는 없습니다.

가격은 구리 원자재 가격과 전환 수수료를 따릅니다. 포일이 얇을수록 수율이 낮고 품질 관리가 더 어렵기 때문에 전환 비용이 더 높습니다. 8미크론과 4.5미크론 가격 사이의 스프레드는 이러한 어려움을 반영합니다.

동박은 여러 면에서 성숙한 구성 요소입니다. 기본 생산 기술은 수십 년 동안 크게 변하지 않았습니다. 그러나 셀 성능 요구 사항이 높아짐에 따라 사양도 계속 강화되고 있습니다. 인장 강도, 신율, 두께 균일성, 표면 거칠기, 내식성 - 이 모든 요소가 셀 품질과 수명에 영향을 미칩니다.

나와 함께 일하는 엔지니어들은 때때로 호일을 상품 구매로 간주합니다. 사양을 충족하는 가장 저렴한 공급업체를 찾고 계속 진행하세요. 그렇지 않을 때까지 작동합니다. 호일에 몇ppm 더 많은 수분, 제어 한계를 약간 벗어난 거칠기 분포, 샘플링 계획이 충분히 빡빡하지 않아 QC를 통과한 약한 배치, - 이 중 어떤 것도 몇 달 또는 몇 년 후에 현장 실패로 나타날 수 있습니다. 그때쯤이면 싸게 고치기에는 너무 늦습니다.

누구도 조만간 구리를 대체하지 않을 것입니다. 알루미늄은 양극 전위에서 작동하지 않습니다. 니켈은 비용이 너무 많이 듭니다. 폴리머 코어가 포함된 복합 포일은 개발 중이지만 생산 준비가 완료되지 않았습니다-. 적어도 향후 10년 동안 구리박은 모든 리튬-이온 전지에서 문제가 발생할 때까지 조용히 제 역할을 수행합니다.