アルミニウム箔は新エネルギー電池で最もよく使用される金属基板ですが、その理由は商業的なものではなく物理的なものです。アルミニウムの密度は約 2.7 g/cm3 で、銅の約 3 分の 1 ですが、その導電率は国際的な焼きなまし銅規格の約 60% に達します。その上、薄い自然酸化膜が表面に瞬時に形成され、カソードの通常の動作電位範囲内でほとんどの有機電解質に対して安定した状態を保ちます。これら 3 つの特性、低質量、高導電性、電気化学的安定性は、まさに集電装置に必要なものです。
新しいエネルギーセル内のアルミ箔が配置される場所
新しいエネルギー電池は 4 つの基本機能部品から組み立てられます。正極は電荷を蓄積し、負極は電荷を放出し、電解質は 2 つの電極間でイオンを輸送し、セパレータは電極を物理的に分離します。このコアの周りには、ハウジング、端子、バッテリー管理システムが配置されています。アルミニウム箔は正極の担体です。活性粉末 (三元材料、リン酸鉄リチウムまたは遷移金属酸化ナトリウム) が箔の両面にコーティングされ、乾燥され、カレンダー加工されます。その後、箔は放電中に生成された電子を収集してタブに送ります。
箔は活物質の前ではなく後ろにあるため、それ自体の容量には寄与しませんが、コーティングから電流がどの程度均一に引き出されるかを決定します。したがって、均一な厚さ、低い表面抵抗、清潔で濡れやすい表面は機能要件であり、マーケティング上の主張ではありません。
細胞化学による箔の消費
バッテリー工場が消費する箔の量は、化学的性質、セルの形式、エネルギー密度によって決まります。業界の計算では、ギガワット時あたりの数値が使用されます。
| 細胞化学 | GWhあたりのアルミ箔 | セルの箔コストシェア |
|---|---|---|
| ターナリ (NCM / NCA) | 300 - 450 t | 約1.5% - 2.0% |
| リン酸鉄リチウム（LFP） | 400 - 600 t | 3進数よりわずかに上 |
| ナトリウム-イオン | 700 - 1,000 t | 約5.0% |
LFP セルは、体積エネルギー密度が低いため、三元セルよりも多くの箔を必要とします。そのため、同じ蓄積エネルギーを得るためにより大きな電極面積をコーティングする必要があり、電極のすべての平方メートルには集電体側に箔が付いています。ナトリウム-イオン電池は別の理由でこの数値を大幅に引き上げます。ナトリウムは負極電位でアルミニウムと反応しないため、アルミニウムは銅の代わりに正側と負側の両方でコレクタとして機能します。これにより、セルの箔含有量が 2 倍になり、セルコストに占める割合が約 5.0% に上昇します。
厚さと合金の選択
ゲージは主に電力要件と顧客が実行するコーティングプロセスによって選択されます。箔を薄くするとセルの質量とコストが下がりますが、電気抵抗も増加し、しわを付けずにウェブをコーティングするのが難しくなります。
消費者および 3C セル:一般的には9μmから11μmです。
電力およびエネルギー貯蔵セル:一般的には 12 μm ～ 15 μm です。
特別な高レート設計:市場のごく一部が 15 μm を超える箔を使用しています。
代表的な合金:1060、1070、1235 アルミニウム。ソフト (O) 焼き戻しで供給され、表面は圧延され、オイル洗浄されています。
箔はコイル状で納品され、お客様のコーティングラインの幅に合わせてスリットされます。ロールの直径、コアのタイプ、スプライスの自由度、およびエッジの品質については、セル メーカーと合意する必要があります。これは、単一のバリやエッジの折れ曲がりによってコーティング ウェブが裂け、ラインが何時間も停止する可能性があるためです。
表面状態：濡れ性、平坦性、ピンホール
電極スラリーは粘稠な溶剤系または水系ペーストであり、適切に湿った表面にのみ均一に広がります。残留圧延油、酸化物の粉塵、または吸着された水分はすべて濡れ性を低下させ、乾燥後のコーティングの剥げた斑点、ピンホール、および不均一な接着を引き起こします。したがって、サプライヤーは箔を湿潤性によって等級付けし、最高グレードの A+ がバッテリー箔の通常の許容レベルとなります。
さらに 3 つのパラメータが並行して制御されます。厚さの公差は、コーティングのギャップが 2 km のコイルにわたって変動しないように、十分に厳しくなければなりません。平坦度は、エッジの波打ちやコーティングの縞の原因となる乾燥オーブン内でウェブがバタバタしない程度に十分でなければなりません。電流コレクタに貫通ピンホールがあると、急速充電中に局所的な発熱を引き起こす可能性のある高抵抗点が生じるため、ピンホールの数は少なくする必要があります。
ナトリウム-イオン電池とデュアルアルミニウム電極への移行
ナトリウム イオン化学は通常、重量エネルギー密度よりもキロワット時あたりのコストとサイクル寿命が重要な定置型貯蔵に位置付けられます。両方の電極をアルミニウムにすることができるため、電池には銅箔アノード集電体が必要なくなります。これにより、より重いセルを受け入れながら、部品表から銅が完全に削除され、銅に付随する供給リスクが排除されます。保管設備の場合、余分な重量は関係ありません。また、パックには銅とアルミニウムの混合コレクター流が含まれていないため、簡素化された単一金属コレクター設計によりリサイクルの複雑さも軽減されます。
フォイルの指定。完全な仕様では、合金と焼き戻し、公称厚さと公差、コイルの幅と内径、納入後の機械的特性、濡れ性グレード、ピンホールの最大数、表面清浄度の限界、輸送中にコイルを乾燥して損傷を受けないようにするために必要な梱包を固定する必要があります。機械的特性が言及される場合、異なる調質の実験室サンプルで測定された特性は比較できないため、実際に供給された調質での引張強さと伸びの値を記載する必要があります。濡れ性とピンホールの結果は方法に依存するため、購入者は最初のコイルの出荷前にサンプリング計画と各パラメータに使用される試験方法についても合意する必要があります。
よくある質問
Q: リチウムイオン電池にはどのくらいの厚さのアルミニウム箔が使用されていますか?{0}}
民生用および 3C セルでは通常 9 μm ～ 11 μm のフォイルが使用されますが、電力およびエネルギー貯蔵セルでは通常 12 μm ～ 15 μm が使用されます。 15 µm を超える特別な設計はごく一部です。
Q: ナトリウム-イオン電池ではなぜこれほど多くのアルミホイルを使用するのですか?
ナトリウムはアノード電位でアルミニウムと反応しないため、アルミニウムを両方の電極のコレクタとして使用できます。消費量は、三元セルの場合は 300 - 450 t ではなく、GWh あたり約 700 - 1,000 t に増加します。
Q: バッテリーの集電体にはどのアルミニウム合金が使用されていますか?
1060、1070、および 1235 は一般的なグレードで、通常はオイル洗浄された表面を備えたソフト O テンパーで供給されます。合金の選択は、細胞株が必要とする導電性、成形性、およびコイルの幅によって決まります。
Q: セルのコストに占めるアルミ箔の割合はどれくらいですか?
リチウム-電池では、箔がコストのおよそ 1.5% ～ 2.0% を占めます。ナトリウム- イオン電池では、両方の電極にアルミニウムが使用されており、その割合は約 5.0% まで上昇します。
Q: バッテリーフォイルには表面コーティングや表面処理が必要ですか?
通常の製造ではコーティングは施されません。要件は、電極スラリーが均一に濡れるように湿潤性グレードが A+ の清浄で油のない表面、さらに厳しい厚さ公差、良好な平坦性、およびピンホール数の少なさです。
Q: 新しいバッテリー工場のフォイル消費量はどのように計算されますか?
プランナーは、計画された年間生産能力 (GWh) に、選択した化学薬品のギガワット時あたりの消費量を乗算し、その後、コーティングとスリットの損失に対するスクラップ許容量を追加します。これにより、年間契約トン数が得られます。
