Ако разглобите литиево-йонна батерия, ще откриете, че положителният електрод използва алуминиево фолио, докато отрицателният електрод използва медно фолио. Много хора са любопитни, когато за първи път научат тази подробност: защо ролите не могат да се разменят? Защо не използвате медно фолио за положителен електрод и алуминиево фолио за отрицателен? Отговорът е ясен: просто няма да работи. Смяната им би попречила на правилното функциониране на батерията и дори може да доведе до проблеми с безопасността. За да разберем това, първо трябва да разгледаме колекторите на ток. Какво е токоприемник? Просто казано, той действа като вътрешно "окабеляване" на батерията. Тъй като положителните и отрицателните електродни материали са в прахообразна форма и не могат да бъдат свързани директно към външни проводници, те трябва да бъдат покрити върху метално фолио; това фолио събира тока и го предава към външната верига. Фолиото от положителната страна се нарича положителен токоприемник, а това от отрицателната страна е отрицателен токоприемник. И така, защо конкретно да използваме алуминий за положителната страна и мед за отрицателната? Това се свежда до един ключов момент: работните потенциали на положителните и отрицателните електроди се различават значително. Токоотводът трябва да остане стабилен в своя специфичен потенциален диапазон-не може да корозира или да претърпи химически реакции. Защо трябва да се използва медно фолио за отрицателен електрод? Когато графитен отрицателен електрод е напълно зареден, потенциалът му пада до близо 0 V (спрямо литиев електрод)-изключително ниско ниво. Алуминият се държи катастрофално при този потенциал. Изследванията показват, че когато потенциалът на алуминия падне под 0,284 V (спрямо литиев електрод), литиевите йони се „вмъкват“ в алуминиевата кристална решетка, образувайки литиево-алуминиева сплав. Този процес на легиране причинява огромно разширяване на обема-обемът на алуминия се разширява с почти 97%. Само след няколко цикъла на зареждане-разреждане, алуминиевото фолио се пулверизира и раздробява, като напълно губи функцията си на токоотвод. Освен това, този процес изразходва голямо количество активен литий, което води до спад на капацитета на батерията. Медта, от друга страна, е много по-стабилна при ниски потенциали. Не образува стабилни сплави с литий; в диапазона на ниския -потенциал на отрицателния електрод, той не претърпява нито редукция, нито корозия, запазвайки структурната цялост и надеждна проводимост. Дори ако се получи литиево покритие на отрицателния електрод, медният токоприемник остава неповреден. Следователно за отрицателния електрод е подходящо само медно фолио; алуминиевото фолио няма да работи. Защо трябва да се използва алуминиево фолио за положителен електрод? Основните положителни електродни материали работят при потенциали между 2,5 V и 4,3 V (спрямо литиев електрод), което представлява висок обхват на окислителен потенциал. Медта не може да издържи на тази среда. Неговата устойчивост на окисляване е ограничена; при високи потенциали над 4V, той се окислява до медни йони и се разтваря в електролита. Освен постепенната корозия на самия колектор на ток, разтворените медни йони могат да мигрират през сепаратора и да се отложат върху повърхността на анода, причинявайки вътрешни микро-къси съединения. Това води до непрекъснато влошаване на капацитета и нарастващи рискове за безопасността. Алуминият, обратно, остава стабилен при високи потенциали. Той естествено образува плътен пасивиращ слой от алуминиев оксид (Al₂O₃), когато е изложен на въздух. Въпреки че този слой е електрически изолиращ, той е с дебелина само нанометри, което позволява на електроните да преминават чрез "квантовия тунелен ефект". Това гарантира, че проводимостта остава безпрепятствена, докато слоят действа като броня, предпазвайки долния алуминий от по-нататъшно окисляване. Алуминиевото фолио остава стабилно дори при потенциали от 4,5 V или по-високи. Следователно алуминиевото фолио е единственият подходящ избор за катодния токоприемник; медно фолио не е. Отвъд критичния критерий за електрохимична стабилност, няколко практически фактора влияят върху избора между медно и алуминиево фолио: Проводимост. Както медта, така и алуминият предлагат отлична проводимост, на второ място след среброто и златото. Като се има предвид високата цена на среброто и златото, медта и алуминият представляват най-рентабилните варианти-. Тегло. Алуминият има плътност от 2,7 g/cm³, докато медта е 8,9 g/cm³. Използването на алуминиево фолио за катод значително намалява теглото на батерията, допринасяйки значително за по-висока енергийна плътност. цена. Алуминият е по-евтин от медта и предлага значителни спестявания при масово производство. Обработваемост. И двата метала притежават отлична пластичност, което им позволява да бъдат навити на ултра-тънки фолиа (6–12 микрометра), които отговарят на изискванията на процесите на масово-производство като нанасяне на покритие и каландриране. Адхезионна съвместимост. Оксидният слой върху алуминиевото фолио се свързва ефективно с катодни активни материали и свързващи вещества, докато медното фолио предлага превъзходно свързване с аноден графит и свързващи вещества. Има ли изключения? Има един специален случай: анодът от литиев титанат (LTO). Неговият работен потенциал е около 1,55 V, което е над прага, при който алуминият претърпява легиране. Теоретично алуминиевото фолио може да се използва като колектор на аноден ток за допълнително намаляване на разходите и теглото; въпреки това индустрията в момента разчита предимно на установеното решение за медно фолио за масово производство. Освен това нововъзникващата композитна технология за токоотвод заслужава внимание; включващ структура "полимерен субстрат плюс метално покритие", той предлага както леки свойства, така и повишена безопасност, тъй като металният слой се счупва по време на термично изтичане, за да прекъсне тока. Това представлява ключов път за надграждане за следващо-поколение батерии с висока-безопасност. Връщайки се към първоначалния въпрос: използването на алуминиево фолио за катод и медно фолио за анод не е произволен избор, а неизбежен резултат, продиктуван от електрохимичните принципи. Алуминият се защитава чрез пасивиращ слой при условия на високо-напрежение на катода, докато медта поддържа стабилност чрез химическа инертност при условия на ниско-напрежение на анода-едните издържат на окисление, другите се съпротивляват на легиране; всеки държи собствената си позиция и нито един не може да замени другия.
