מדוע סוללות ליתיום משתמשות באלומיניום כקליפות?

ניתן לנתח בפירוט את הסיבות העיקריות לשימוש בסוללות ליתיום במעטפות אלומיניום מההיבטים הבאים, כלומר קל משקל, עמידות בפני קורוזיה, מוליכות טובה, ביצועי עיבוד טובים, עלות נמוכה, ביצועי פיזור חום טובים וכו'.

1. קל משקל

• צפיפות נמוכה: צפיפות האלומיניום היא כ-2.7 גרם/סמ"ק, שהיא נמוכה משמעותית מזו של פלדה, שהיא כ-7.8 גרם/סמ"ק. במכשירים אלקטרוניים השואפים לצפיפות אנרגיה גבוהה וקלות משקל, כגון טלפונים ניידים, מחשבים ניידים וכלי רכב חשמליים, מעטפת אלומיניום יכולה להפחית ביעילות את המשקל הכולל ולשפר את הסיבולת.

2. עמידות בפני קורוזיה

• יכולת הסתגלות לסביבות מתח גבוה: מתח העבודה של חומרי אלקטרודה חיובית של סוללות ליתיום, כגון חומרים טרנריים ותחמוצת ליתיום קובלט, הוא גבוה יחסית (3.0-4.5 וולט). בפוטנציאל זה, אלומיניום ייצור שכבת פסיבציה צפופה של תחמוצת אלומיניום (Al₂O₃) על פני השטח כדי למנוע קורוזיה נוספת. פלדה נשחקת בקלות על ידי אלקטרוליט תחת לחץ גבוה, מה שגורם לירידה בביצועי הסוללה או לדליפה.

• תאימות אלקטרוליטים: לאלומיניום יציבות כימית טובה לאלקטרוליטים אורגניים, כגון LiPF₆, והוא אינו נוטה להגיב במהלך שימוש ארוך טווח.

3. מוליכות ותכנון מבני

• חיבור קולט זרם: אלומיניום הוא החומר המועדף עבור קולטי זרם של אלקטרודות חיוביות (כגון נייר אלומיניום). ניתן לחבר את מעטפת האלומיניום ישירות לאלקטרודה החיובית, ובכך לפשט את המבנה הפנימי, להפחית את ההתנגדות ולשפר את יעילות העברת האנרגיה.

• דרישות מוליכות של הקליפה: בכמה עיצובים של סוללות, מעטפת האלומיניום היא חלק מנתיב הזרם, כגון סוללות גליליות, שיש להן גם פונקציות מוליכות וגם פונקציות הגנה.

4. ביצועי עיבוד

• גמישות מעולה: אלומיניום קל לטבעה ומתיחה, ומתאים לייצור בקנה מידה גדול של צורות מורכבות, כגון סרטי אלומיניום-פלסטיק עבור סוללות מרובעות וסוללות רכות. מעטפות פלדה קשות לעיבוד ועלותן גבוהה.

• אחריות לאיטום: טכנולוגיית ריתוך מעטפת אלומיניום היא טכנולוגיה בוגרת, כגון ריתוך בלייזר, שיכולה לאטום ביעילות את האלקטרוליט, למנוע חדירת לחות וחמצן ולהאריך את חיי הסוללה.

5. ניהול תרמי

• יעילות פיזור חום גבוהה: מוליכות החום של אלומיניום (כ-237 W/m·K) גבוהה בהרבה מזו של פלדה (כ-50 W/m·K), מה שעוזר לסוללה לפזר חום במהירות בזמן העבודה ולהפחית את הסיכון לבריחת חום.

6. עלות וחיסכון

• עלויות חומר ועיבוד נמוכות: מחיר חומר הגלם של אלומיניום הוא בינוני, וצריכת האנרגיה לעיבוד נמוכה, מה שמתאים לייצור בקנה מידה גדול. לעומת זאת, חומרים כמו נירוסטה יקרים יותר.

7. תכנון בטיחות

• מנגנון הקלה על לחץ: קליפות אלומיניום יכולות לשחרר לחץ פנימי ולמנוע פיצוץ במקרה של טעינת יתר או בריחה תרמית על ידי תכנון שסתומי בטיחות, כגון מבנה היפוך CID של סוללות גליליות.

8. נוהלי תעשייה וסטנדרטיזציה

• מעטפת אלומיניום אומצו באופן נרחב מאז ימיה הראשונים של מסחור סוללות ליתיום, כגון סוללת 18650 שהושקה על ידי סוני בשנת 1991, ויצרה שרשרת תעשייתית בוגרת ותקנים טכניים, וביססה עוד יותר את מעמדה במיינסטרים.

תמיד יש יוצאים מן הכלל. בתרחישים מיוחדים מסוימים, משתמשים גם בקונכיות פלדה:

בתרחישים מסוימים עם דרישות חוזק מכני גבוהות במיוחד, כגון סוללות חשמל מסוימות או יישומים בסביבה קיצונית, ניתן להשתמש במעטפות פלדה מצופות ניקל, אך העלות היא משקל ועלות מוגברים.

מַסְקָנָה

קונכיות אלומיניום הפכו לבחירה אידיאלית עבור קונכיות סוללות ליתיום בשל יתרונותיהן המקיפים כגון משקל קל, עמידות בפני קורוזיה, מוליכות טובה, עיבוד קל, פיזור חום מעולה ועלות נמוכה, תוך איזון מושלם בין ביצועים, בטיחות ודרישות כלכליות.