銅箔とは何ですか?
何か問題が起こるまで誰も話題にしない内容
すべてのリチウムイオン電池には銅箔が入っています。-携帯電話、ノートパソコン、EV が - の外に駐車されています。すべてです。フォイルはグラファイト陽極の後ろに位置し、電子を出入りさせるという 1 つの仕事を行います。華やかではない。サプライヤーはバッテリーカンファレンスで基調講演を受けることはありません。しかし、フォイルが故障すると、セル全体が故障します。
私はこの業界で15年間を過ごしました。銅箔については、初期の頃はあまり考えていませんでした。正極材料はすべての注目を集めました - NCM 比率、コバルトの調達など。箔はちょうどそこにありました。その後、銅の溶解の問題を抱えた細胞が現場から戻ってくるのを目にするようになり、その界面で何が起こっているのかをほとんどのエンジニアが実際にはほとんど理解していないことに気づきました。
基本を簡単に言うと、
バッテリー グレードの銅箔は、ほとんどの用途で 6 ～ 12 ミクロンの厚さになります。{0}}一部のメーカーは 4.5 ミクロンまで押し上げています。スケール感を表すと、人間の髪の毛は約 70 ミクロンです。
作り方は2通り。電解析出 - 銅を硫酸に溶解し、溶液に電流を流し、回転ドラム上に銅板を置きます。剥がして、丸めてください。これは市場の 90% 以上を占めます。もう 1 つの方法は圧延です。この方法では、銅のインゴットから開始し、繰り返しのパスを経て機械的に薄くしていきます。転造すると機械的特性が向上しますが、コストが高くなります。ほとんどの電池メーカーはプレミアムを払いたくない。
なぜ厚さを気にする人がいるのか
箔が薄いということは、同じセル容積内に活物質を入れるためのスペースが増えることを意味します。それがエネルギー密度です。過去 10 年間で箔の厚さが 8 ミクロンから 6 ミクロンになったことにより、セル メーカーは設計を何も変更することなく大きな進歩を遂げました。 6ミクロンより薄くするのは難しくなります。コーティング中に箔が破れてしまいます。ワインディングマシーンでシワがついてしまいます。収量が低下します。
数年前、私は江蘇省のコーティングラインを訪れ、4.5ミクロンの箔の品質を検査していました。オペレーターは、ホイルが破れないようにライン速度を 30% 遅くする必要がありました。それを喜ぶ人は誰もいませんでした。コスト目標を達成しようとする場合、スループットが重要になります。
表面的な問題
電解箔には両面があります。ドラム面は光沢があり滑らかです。反対側 - マット面 - はより質感が高くなります。粗さが付着を助けるため、アノードスラリーをマット面にコーティングします。理論的には十分シンプルです。
ただし、表面の粗さはトレードオフです。滑らかすぎると、数百サイクル後にコーティングが剥がれてしまいます。粗すぎると、裸の銅が電解液と接触する部分のコーティングに薄い斑点ができます。それはダメだ。銅は特定の条件下で電解液に溶解し、カソードに移動し、そこからメッキされ、最終的にはセルをショートさせます。サイクルも行われず、集電装置が腐食した状態でただ放置されていただけで、セルがこのように故障するのを見たことがあります。
箔のサプライヤーは粗さの制御に多大な労力を費やしています。めっき浴内の添加剤パッケージ。治療後のステップ-。サプライヤーによっては、両面がコーティングされる用途向けに、ドラム側にも軽い粗面化処理を行っているところもあります。
腐食は本当に頭の痛い問題です
リチウム- イオン電池の標準電解質は、有機炭酸塩に溶解した LiPF6 です。銅を攻撃するものではありません。銅はアノード電位では安定です。しかし、- 百万分の 1 の湿気による汚染は常に存在します。確かに、それは存在します。水分は LiPF6 と反応して HF を形成します。フッ化水素酸。厄介なこと。銅を食べるのです。
私が何度も調査した故障モードの 1 つは、サイクル中にアノード コーティングに亀裂が入り、剥き出しの箔が露出し、HF が動作することです。溶解した銅イオンはセパレーターを通って漂流し、金属銅として陰極に堆積し、最終的にはソフトショートが発生します。容量の低下が加速します。時々、セルの通気口。あるリコールをたどると、過剰な表面酸化物を持つ箔の不良バッチに遡りました - 酸化物層が下にある銅を本来の保護をしていませんでした。
深い放電と反転
カットオフ電圧以下でセルを放電すると、アノード電位が上昇します。十分に進むと、銅が電気化学的に溶解し始めます。これは物議を醸すものではありません - 文献に記載されており、経験豊富な細胞エンジニアなら誰でも目にしたことがあります。
この問題は、セルの容量が一致しない直列接続されたパックで発生します。{0}最も弱いセルが最初に空になり、その後、他のセルによって逆転されます。パック設計者はこのために保護回路を組み込みます。しかし、保護回路が故障することがあります。偽造防止 IC はサプライチェーンに存在します。仕様を満たさないコンポーネントを備えた安価な BMS ボード。反転防止機能が付いているはずのパックで銅が溶解するのを見たことがあります。
シリコンはすべてを難しくする
シリコンアノードが登場します。シリコンはグラファイトよりも多くのリチウムを貯蔵していることは誰もが知っています-。質量ベースで約 10 倍です。人々が必ずしもよく考えていないのは、シリコンが集電体にどのような影響を与えるかということです。
シリコンはリチウム化されると大きく膨張します。 300% 以上のボリューム変化。アノード層はサイクルごとに膨張および収縮します。従来の銅箔はそのような機械的ストレスを考慮して設計されていませんでした。疲労亀裂。層間剥離。電気的接触の喪失。一部のシリコン アノード開発者は、膨張に対応するため、高張力銅合金や多孔性を備えた 3D 構造の箔を使用しています。{{8}これは活発な分野であり、多くの独自開発が行われており、明確な勝者はまだいません。
昨年私が話を聞いたある新興企業は、高温でも 500 MPa 以上の引張強度を維持する銅-ニッケル- シリコン合金箔を使用していました。 -トレードオフは導電率の低下でした-おそらく純銅の 60% でした。彼らのアプリケーションではうまくいきました。スケールするかどうかは不明です。
サプライチェーンの現実
バッテリー用銅箔のほとんどは、中国、日本、韓国の少数の生産者から生産されています。古川、三井、イルジン、トングアン - これらの名前はスペックシートに何度も登場します。北米と欧州のセルメーカーはほとんどが輸入品です。地域のバッテリー容量がオンラインになるにつれて、箔の生産を現地化するという話がありますが、その機能を構築するには何年もかかります。電解箔の製造には多くの設備が必要であり、ノウハウが重要です。{6}単に機械を購入して次の四半期に高品質のフォイルの出荷を開始することはできません。
価格は銅商品価格に両替手数料を加えたものとなります。箔が薄いと、歩留まりが低くなり、品質管理が難しくなるため、変換手数料が高くなります。 8 ミクロンと 4.5 ミクロンの間の価格設定の幅は、その難しさを反映しています。
実際に何が重要なのか
銅箔は、多くの点で成熟したコンポーネントです。基本的な生産技術は数十年にわたって劇的に変わっていません。しかし、セルの性能要件が高まるにつれて仕様は厳しくなり続けています。引張強さ、伸び、厚さの均一性、表面粗さ、耐食性 - これらすべてが電池の品質と寿命に影響を及ぼします。
私が一緒に働いているエンジニアは、フォイルを商品として扱うことがあります。仕様を満たす最も安いサプライヤーを入手して次に進みます。それは機能しなくなるまで機能します。箔内の水分が数 ppm 多い、粗さの分布が管理限界をわずかに超えている、サンプリング計画が十分に厳密ではなかったために QC に合格した弱いバッチ - これらはいずれも、数か月または数年後に現場での故障として現れる可能性があります。その時には、安く修理するには遅すぎます。
すぐに銅に取って代わる人はいないでしょう。アルミニウムは陽極電位では機能しません。ニッケルのコストが高すぎる。ポリマーコアを備えた複合箔は開発中ですが、量産準備は整っていません。-少なくとも今後 10 年間、銅箔はすべてのリチウムイオン電池の中で、何か問題が発生するまで静かにその役割を果たします。
