Với sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới trên toàn thế giới, việc sản xuất pin điện đã tăng lên đáng kể. Là một trong những vật liệu chính được sử dụng trong pin điện, nhu cầu về lá nhôm dùng cho pin cũng ngày càng tăng theo.
Pin lithium là một trong những loại pin sạc được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử di động, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. Lá nhôm cho pin lithium đóng một vai trò thiết yếu trong việc dẫn điện và thu thập dòng điện, và triển vọng thị trường của nó có mối liên hệ chặt chẽ với sự phát triển của ngành công nghiệp pin lithium.
Lá nhôm pin lithium là gì?
Lá nhôm pin lithiumthường đề cập đến lá nhôm hiệu suất cao được sử dụng làm bộ thu dòng điện cực âm trong pin lithium-ion. Nó còn được gọi là lá nhôm pin, lá pin lithium hoặc lá nhôm thu dòng điện cực âm.
Trong pin lithium-ion, vật liệu điện cực chịu trách nhiệm lưu trữ và giải phóng các ion lithium, trong khi việc chuyển điện tử phụ thuộc vào bộ thu dòng điện. Chức năng chính của lá nhôm là nhanh chóng thu thập và dẫn các electron được tạo ra hoặc nhận bởi vật liệu hoạt động ở cực âm ra mạch ngoài.
Một cục pin điện có thể được hiểu rộng rãi là bao gồm các bộ phận sau:
Vật liệu catốt: Chẳng hạn như lithium sắt photphat (LFP) và vật liệu lithium bậc ba, cung cấp các vị trí để chèn và chiết lithium-ion.
Vật liệu làm cực dương: Thường là than chì, vật liệu silicon-cacbon hoặc các vật liệu tương tự.
Chất điện phân và chất phân tách: Cho phép các ion lithium di chuyển giữa cực âm và cực dương.
Bộ thu dòng điện: Lá nhôm thường được sử dụng cho cực âm, trong khi lá đồng thường được sử dụng cho cực dương.
Vì vậy, lá nhôm không phải là vật liệu đóng gói thông thường. Nó là một vật liệu chức năng quan trọng bên trong pin.
Tại sao lá nhôm thường được sử dụng cho cực âm của pin điện?
1. Độ dẫn điện tốt
Nhôm có tính dẫn điện tốt và có thể đáp ứng yêu cầu vận chuyển điện tử nhanh ở cực âm. Mặc dù đồng có độ dẫn điện cao hơn nhôm nhưng nhôm mang lại sự cân bằng tuyệt vời về độ dẫn điện, trọng lượng, giá thành và độ ổn định điện hóa cho các ứng dụng cực âm.
2. Mật độ thấp
Nhôm có mật độ thấp hơn nhiều so với đồng. Ở cùng diện tích và độ dày, lá nhôm có trọng lượng nhẹ hơn, giúp giảm tỷ lệ vật liệu không hoạt động trong pin.
Ưu điểm nhẹ này giúp cải thiện mật độ năng lượng trọng lượng của pin điện, cho phép phân bổ tổng khối lượng pin nhiều hơn cho các vật liệu hoạt động lưu trữ năng lượng.
3. Độ ổn định điện hóa
Trong phạm vi điện áp hoạt động của cực âm pin lithium-ion, nhôm có thể tạo thành lớp oxit tương đối ổn định. Nó cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt và ổn định điện hóa trong điều kiện hoạt động ở cực âm bình thường.
Để so sánh, đồng dễ bị oxy hóa ở điện thế cao ở phía cực âm, đó là lý do tại sao nó thường được sử dụng làm bộ thu dòng điện anode thay thế.
4. Khả năng xử lý tốt
Lá nhôm cung cấp đủ độ bền và độ dẻo để chịu được ứng suất và biến dạng trong quá trình sản xuất điện cực pin, lắp ráp tế bào và bảo trì.
Nó có thể được xử lý thông qua các hoạt động phủ, cán, rạch, cuộn và xếp chồng tốc độ cao, khiến nó phù hợp cho việc sản xuất pin quy mô lớn.
5. Độ tinh khiết cao
Lá nhôm cấp pin có độ tinh khiết cao, giúp giảm thiểu tác động của tạp chất đến hiệu suất, tính nhất quán và độ tin cậy lâu dài của pin.
Vật liệu phổ biến cho lá nhôm pin
1. Lá nhôm nguyên chất dòng 1xxx
Dòng 1xxx là loại vật liệu chủ yếu dành cho lá nhôm dùng cho pin. Các loại phổ biến bao gồm 1060, 1070, 1235, 1145, 1050 và 1100. Sự khác biệt chính của chúng nằm ở độ tinh khiết và hàm lượng tạp chất của nhôm.
Lá nhôm 1235
Lá nhôm 1235 là một trong những loại được sử dụng rộng rãi nhất cho bộ thu dòng pin lithium-ion. Hàm lượng nhôm của nó thường được yêu cầu không dưới 99,35%.
Với sự kiểm soát thích hợp của sắt (Fe), silicon (Si) và các nguyên tố khác, lá 1235 có thể đạt được các tính chất cơ học được cải thiện. Độ bền kéo của nó thường có thể đạt tới 110–150 MPa, có khả năng chịu nhiệt và tạo hình dập tốt.
Lá nhôm 1060
Lá nhôm 1060 có hàm lượng nhôm ít nhất 99,60%. Độ tinh khiết cao hơn của nó mang lại khả năng dẫn điện và chống ăn mòn tốt hơn so với lá nhôm 1235.
Nó cũng có tính chất hóa học ổn định hơn, phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu về độ bền và hiệu suất cao hơn.
Lá nhôm 1070
Lá nhôm 1070 có hàm lượng nhôm ít nhất 99,70%, khiến nó trở thành một trong những loại có độ tinh khiết cao nhất thường được sử dụng trên thị trường.
Độ tinh khiết rất cao của nó góp phần làm giảm điện trở suất và độ dẫn điện tuyệt vời, khiến nó phù hợp với các ứng dụng pin hiệu suất cao.
Lá nhôm 1050
Lá nhôm 1050 chứa ít nhất 99,00% nhôm. Nó là loại lá nhôm có độ tinh khiết cao cấp đầu vào với chi phí tương đối thấp.
Lá nhôm 1100
1100 cũng là loại nhôm nguyên chất dòng 1xxx. Trong lá nhôm và hợp kim nhôm tiêu chuẩn công nghiệp dành cho pin điện lithium-Ion (T/ZZB 1203—2019), 1100 được liệt kê là loại có thể áp dụng cùng với 1060 và 1070.
2. Lá nhôm phủ carbon
Trong những năm gần đây, lá nhôm phủ carbon đã trở thành trọng tâm của ngành.
Lá nhôm phủ carbon được sản xuất bằng cách phủ một lớp carbon dẫn điện lên bề mặt lá nhôm. Lớp phủ này có thể cải thiện sự tiếp xúc bề mặt giữa lá nhôm và vật liệu catốt, giảm điện trở tiếp xúc và tăng cường độ bám dính của lớp phủ.
Nó cũng có thể cải thiện hiệu suất tốc độ và độ ổn định chu kỳ của pin ở một mức độ nhất định. Khi nhu cầu về sạc và xả năng lượng cao, tốc độ cao cũng như pin có tuổi thọ dài tiếp tục tăng, lá nhôm phủ carbon dự kiến sẽ có ứng dụng rộng rãi hơn.
3. Lá nhôm tổng hợp
Lá nhôm composite là một loại vật liệu mới có cấu trúc “bánh sandwich” ba lớp. Nó thường bao gồm một màng polymer, chẳng hạn như PET, ở giữa, với một lớp nhôm siêu mỏng được lắng đọng ở cả hai mặt.
So với lá nhôm nguyên chất thông thường, lá nhôm composite mang lại một số lợi thế tiềm năng:
Trọng lượng thấp hơn, có thể cải thiện hơn nữa mật độ năng lượng của pin;
Cải thiện độ an toàn khi đinh xuyên qua hoặc điều kiện đoản mạch bên trong;
Lớp polymer có thể tan chảy hoặc ngắt kết nối trong điều kiện khắc nghiệt, giúp giảm nguy cơ dẫn điện ngắn mạch liên tục.
Lá nhôm composite được coi là hướng đi đầy hứa hẹn cho các bộ thu dòng pin thế hệ tiếp theo nhẹ và có độ an toàn cao.
Điều kiện nhiệt độ chung
Điều kiện nhiệt độ của lá nhôm cũng rất quan trọng. Tính khí phổ biến bao gồm:
O tính khí: Trạng thái ủ mềm;
Tính khí H: Tình trạng căng cứng;
H18: Trạng thái cứng hoàn toàn;
H24: Trạng thái nửa cứng.
Hiện nay, độ cứng H18 là một trong những điều kiện chủ yếu để sản xuất lá nhôm cho pin điện vì nó mang lại độ bền phù hợp và độ ổn định khi xử lý.
Vị trí và chức năng của lá nhôm trong cấu trúc pin
Trong pin lithium-ion, lá nhôm thường được sử dụng làm bộ thu dòng điện cực âm. Nó nằm bên dưới lớp phủ vật liệu cực âm và được liên kết chặt chẽ với các vật liệu hoạt động cực âm, chẳng hạn như vật liệu lithium sắt photphat và vật liệu cực âm ba cực.
Các chức năng chính của lá nhôm bao gồm:
Bộ sưu tập hiện tại
Lá nhôm thu thập hiệu quả dòng điện từ vật liệu hoạt động ở cực âm và dẫn electron ra mạch ngoài.
Hỗ trợ cơ khí
Nó cung cấp hỗ trợ cấu trúc cho lớp phủ cực âm và giúp ngăn ngừa biến dạng hoặc hư hỏng điện cực trong chu kỳ sạc và xả.
Giao diện điện hóa
Bề mặt tiếp xúc ổn định giữa lá nhôm và lớp phủ cực âm thúc đẩy sự vận chuyển điện tử và hỗ trợ các phản ứng điện hóa hiệu quả.
Quản lý nhiệt
Lá nhôm có thể hỗ trợ truyền nhiệt và tản nhiệt trong cấu trúc điện cực, góp phần cải thiện độ an toàn và ổn định nhiệt của pin.
Quy trình sản xuất lá nhôm pin lithium
Việc sản xuất lá nhôm cấp pin bao gồm việc kiểm soát chặt chẽ độ tinh khiết, độ dày, chất lượng bề mặt, độ phẳng, độ bền và độ sạch.
1. Nóng chảy phôi nhôm
Nguyên liệu nhôm có độ tinh khiết cao được nấu chảy và tinh chế để giảm hàm lượng hydro và kiểm soát mức độ tạp chất, đảm bảo độ tinh khiết và tính nhất quán của vật liệu.
2. Đúc và cán liên tục
Nhôm nóng chảy được xử lý thông qua quá trình đúc và cán liên tục để tạo thành dải nhôm, làm vật liệu cơ bản cho các quá trình cán tiếp theo.
3. Cán nguội và cán lá
Dải nhôm trải qua nhiều hoạt động cán nguội và cán lá mỏng để giảm độ dày đồng thời cải thiện độ phẳng, cấu trúc hạt, chất lượng bề mặt và tính chất cơ học.
Ví dụ, lá nhôm pin lithium 12 μm yêu cầu kiểm soát cuộn có độ chính xác cao để đảm bảo độ dày đồng đều và hiệu suất ổn định.
4. Xử lý bề mặt
Xử lý bề mặt có thể được sử dụng để cải thiện độ bám dính của lớp phủ, khả năng chống ăn mòn, độ ẩm và độ ổn định điện hóa. Tùy thuộc vào yêu cầu của khách hàng, bề mặt giấy bạc cũng có thể được tối ưu hóa cho lớp phủ bùn cathode.
5. Rạch và đóng gói
Lá nhôm thành phẩm được rạch theo chiều rộng, đường kính cuộn và trọng lượng cuộn yêu cầu. Việc đóng gói phù hợp là điều cần thiết để đảm bảo khả năng tương thích với dây chuyền sản xuất pin tự động và ngăn ngừa hư hỏng, tiếp xúc với độ ẩm hoặc nhiễm bẩn bề mặt trong quá trình vận chuyển.
So sánh giữa lá nhôm và lá đồng
Trong pin lithium-ion, lá nhôm thường được sử dụng làm bộ thu dòng điện cực âm, trong khi lá đồng thường được sử dụng làm bộ thu dòng điện cực dương. Việc sử dụng lá nhôm ở phía cực âm dựa trên các đặc tính vật lý và điện hóa cụ thể của nó.
Độ ổn định điện hóa
Lá nhôm có độ ổn định tốt trong môi trường cực âm tiềm năng cao của pin lithium-ion. Mặt khác, đồng phù hợp hơn với phía cực dương có điện thế thấp hơn.
Độ dẫn điện
Đồng có tính dẫn điện cao hơn nhôm. Tuy nhiên, nhôm có độ dẫn đủ cao để thu dòng điện cực âm đồng thời mang lại những lợi thế quan trọng về trọng lượng, chi phí và khả năng tương thích điện hóa ở điện áp cao.
Hiệu quả chi phí
Lá nhôm thường có giá thành vật liệu thấp hơn lá đồng nên phù hợp hơn cho việc sản xuất pin quy mô lớn.
Lợi thế nhẹ
Nhôm nhẹ hơn đáng kể so với đồng. Sử dụng lá nhôm ở phía cực âm giúp giảm trọng lượng pin và hỗ trợ mật độ năng lượng cao hơn.
Triển vọng ứng dụng của lá nhôm cho pin năng lượng mới
Pin Lithium-Ion
Pin lithium-ion là một trong những công nghệ pin sạc được sử dụng rộng rãi nhất. Chúng thường được sử dụng trong điện tử tiêu dùng, xe điện, xe buýt điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, dụng cụ điện và các ứng dụng khác.
Là vật liệu thu dòng điện cực âm quan trọng, lá nhôm của pin gắn liền với sự phát triển của ngành công nghiệp pin lithium-ion.
Pin Lithium Polymer
Pin lithium polymer là loại pin có mật độ năng lượng cao được biết đến với kiểu dáng linh hoạt và khả năng an toàn tốt. Lá nhôm được sử dụng trong pin lithium polymer thường mỏng hơn để phù hợp với thiết kế pin nhẹ và linh hoạt.
Nhu cầu ngày càng tăng từ phương tiện sử dụng năng lượng mới và lưu trữ năng lượng
Khi thị trường xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo, lưu trữ năng lượng quy mô lưới và thiết bị điện tử cầm tay tiếp tục mở rộng, ngành công nghiệp pin lithium dự kiến sẽ duy trì tăng trưởng lâu dài.
Do đó, nhu cầu về lá nhôm dùng cho pin sẽ tiếp tục tăng. Đồng thời, những tiến bộ trong công nghệ cán, xử lý bề mặt, phủ carbon, bộ thu dòng composite và kiểm soát chất lượng sẽ cải thiện hơn nữa hiệu suất của lá nhôm pin lithium.
Lá nhôm pin trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển theo hướng:
Độ dày mỏng hơn;
Độ tinh khiết cao hơn;
Chất lượng bề mặt tốt hơn;
Cải thiện sức mạnh và độ ổn định xử lý;
Điện trở trong thấp hơn;
Tăng cường độ bám dính của lớp phủ;
Khả năng tương thích cao hơn với hệ thống pin sạc nhanh và có tuổi thọ dài;
Sản xuất ít carbon hơn và bền vững hơn.
Lá nhôm cấp pin có thể mỏng nhưng nó là vật liệu quan trọng hỗ trợ hiệu suất, độ an toàn, thiết kế nhẹ và sản xuất quy mô lớn pin năng lượng mới cho xe.