Dacă demontați o baterie litiu-ion, veți descoperi că electrodul pozitiv folosește folie de aluminiu, în timp ce electrodul negativ folosește folie de cupru. Mulți oameni sunt curioși când învață pentru prima dată acest detaliu: de ce nu pot fi inversate rolurile? De ce să nu folosiți folie de cupru pentru electrodul pozitiv și folie de aluminiu pentru negativ? Răspunsul este clar: pur și simplu nu va funcționa. Schimbarea lor ar împiedica funcționarea corectă a bateriei și ar putea duce chiar la probleme de siguranță. Pentru a înțelege acest lucru, trebuie mai întâi să ne uităm la colecționarii actuali. Ce este un colector de curent? Pur și simplu, acționează ca „cablajul” intern al bateriei. Deoarece materialele electrozilor pozitivi și negativi sunt sub formă de pulbere și nu pot fi conectate direct la fire externe, acestea trebuie acoperite pe o folie metalică; această folie colectează curentul și îl transmite circuitului extern. Folia de pe partea pozitivă se numește colector de curent pozitiv, iar cea de pe partea negativă este colector de curent negativ. Deci, de ce să folosiți în mod special aluminiul pentru partea pozitivă și cuprul pentru partea negativă? Se reduce la un punct cheie: potențialele de funcționare ale electrozilor pozitivi și negativi diferă foarte mult. Un colector de curent trebuie să rămână stabil în intervalul său de potențial specific-nu se poate coroda sau nu poate suferi reacții chimice. De ce trebuie folosită folie de cupru pentru electrodul negativ? Când un electrod negativ din grafit este încărcat complet, potențialul său scade la aproape 0 V (față de un electrod de litiu)-un nivel extrem de scăzut. Aluminiul se comportă dezastruos la acest potențial. Cercetările arată că atunci când potențialul aluminiului scade sub 0,284 V (față de un electrod de litiu), ionii de litiu „se intercalează” în rețeaua cristalină de aluminiu, formând un aliaj de litiu{16}}aluminiu. Acest proces de aliere determină o extindere masivă a volumului{18}}volumul aluminiului se extinde cu aproape 97%. După doar câteva cicluri de încărcare-descărcare, folia de aluminiu se pulverizează și se sfărâmă, pierzându-și complet funcția de colector de curent. În plus, acest proces consumă o cantitate mare de litiu activ, determinând scăderea capacității bateriei. Cupru, pe de altă parte, este mult mai stabil la potențiale scăzute. Nu formează aliaje stabile cu litiul; în intervalul-de potențial scăzut al electrodului negativ, nu suferă nici reducere, nici coroziune, menținând integritatea structurală și conductivitatea fiabilă. Chiar dacă placarea cu litiu are loc la electrodul negativ, colectorul de curent din cupru rămâne nedeteriorat. Prin urmare, numai folia de cupru este potrivită pentru electrodul negativ; folia de aluminiu nu va funcționa. De ce trebuie folosită folie de aluminiu pentru electrodul pozitiv? Materialele electrozilor pozitivi din curentul curent funcționează la potențiale cuprinse între 2,5 V și 4,3 V (față de un electrod de litiu), ceea ce constituie un interval mare de potențial de oxidare. Cuprul nu poate rezista la acest mediu. Rezistenta sa la oxidare este limitata; la potențiale mari care depășesc 4V, se oxidează în ioni de cupru și se dizolvă în electrolit. Dincolo de coroziunea treptată a colectorului de curent în sine, ionii de cupru dizolvați pot migra prin separator și se pot depune pe suprafața anodului, provocând micro-scurtcircuite interne. Acest lucru duce la degradarea continuă a capacității și la creșterea riscurilor de siguranță. Dimpotrivă, aluminiul rămâne stabil la potențiale ridicate. Formează în mod natural un strat dens de pasivare de oxid de aluminiu (Al₂O₃) atunci când este expus la aer. Deși acest strat este izolant electric, are o grosime de doar nanometri, permițând electronilor să treacă prin „efectul de tunel cuantic”. Acest lucru asigură că conductivitatea rămâne nestingherită în timp ce stratul acționează ca armătură, protejând aluminiul de la bază de oxidarea ulterioară. Folia de aluminiu rămâne stabilă chiar și la potențiale de 4,5 V sau mai mari. În consecință, folia de aluminiu este singura alegere potrivită pentru colectorul de curent catodic; folie de cupru nu este. Dincolo de criteriul critic al stabilității electrochimice, mai mulți factori practici influențează alegerea între cupru și folia de aluminiu: Conductibilitatea. Atât cuprul, cât și aluminiul oferă o conductivitate excelentă, pe locul doi după argint și aur. Având în vedere costul ridicat al argintului și aurului, cuprul și aluminiul reprezintă opțiunile-cel mai rentabile. Greutate. Aluminiul are o densitate de 2,7 g/cm³, în timp ce cuprul este de 8,9 g/cm³. Folosirea foliei de aluminiu pentru catod reduce semnificativ greutatea bateriei, contribuind substanțial la o densitate de energie mai mare. Cost. Aluminiul este mai ieftin decât cuprul, oferind economii semnificative în producția de masă. Procesabilitate. Ambele metale au o ductilitate excelentă, permițându-le să fie laminate în folii ultra{-subțiri (6-12 micrometri) care îndeplinesc cerințele proceselor de-producție în masă, cum ar fi acoperirea și calandrarea. Compatibilitate cu aderența. Stratul de oxid de pe folia de aluminiu se leagă eficient cu materialele active catodice și lianții, în timp ce folia de cupru oferă o lipire superioară cu grafitul anodic și lianți. Există excepții? Există un caz special: anodul de titanat de litiu (LTO). Potențialul său de funcționare este de aproximativ 1,55 V, care este peste pragul în care aluminiul este supus alierei. Teoretic, folia de aluminiu ar putea fi folosită ca colector de curent anodic pentru a reduce și mai mult costurile și greutatea; cu toate acestea, industria se bazează în prezent în principal pe soluția de folie de cupru stabilită pentru producția de masă. În plus, tehnologia emergentă a colectorului de curent compozit merită atenție; având o structură „substrat polimer plus acoperire metalică”, oferă atât proprietăți ușoare, cât și siguranță sporită, deoarece stratul de metal se fracturează în timpul evaporării termice pentru a întrerupe curentul. Aceasta reprezintă o cale esențială de actualizare pentru bateriile de-generație, cu siguranță ridicată-. Revenind la întrebarea inițială: utilizarea foliei de aluminiu pentru catod și a foliei de cupru pentru anod nu este o alegere arbitrară, ci un rezultat inevitabil dictat de principiile electrochimice. Aluminiul se protejează printr-un strat de pasivare în condițiile de-tensiune înaltă ale catodului, în timp ce cuprul își menține stabilitatea prin inerție chimică în condițiile de{-tensiuni scăzute ale anodului-unul rezistă la oxidare, celălalt rezistă la aliere; fiecare își păstrează propriul teren și niciunul nu îl poate înlocui pe celălalt.
