Główne powody, dla których w bateriach litowych stosuje się obudowy aluminiowe, można szczegółowo przeanalizować pod kątem następujących aspektów, mianowicie lekkości, odporności na korozję, dobrej przewodności, dobrych właściwości przetwórczych, niskich kosztów, dobrych właściwości rozpraszania ciepła itp.
1. Lekki
• Niska gęstość: Gęstość aluminium wynosi około 2,7 g/cm³, co jest znacznie mniej niż gęstość stali, która wynosi około 7,8 g/cm³. W urządzeniach elektronicznych o wysokiej gęstości energetycznej i małej masie, takich jak telefony komórkowe, laptopy i pojazdy elektryczne, obudowy aluminiowe mogą skutecznie zmniejszyć całkowitą masę i poprawić wytrzymałość.
2. Odporność na korozję
• Adaptacja do środowisk wysokiego napięcia: Napięcie robocze materiałów elektrod dodatnich baterii litowych, takich jak materiały trójskładnikowe i tlenek litu i kobaltu, jest stosunkowo wysokie (3,0–4,5 V). Przy tym potencjale aluminium tworzy na powierzchni gęstą warstwę pasywacyjną tlenku glinu (Al₂O₃), zapobiegającą dalszej korozji. Stal łatwo ulega korozji pod wpływem elektrolitu pod wysokim ciśnieniem, co prowadzi do pogorszenia wydajności baterii lub jej wycieku.
• Zgodność z elektrolitem: Aluminium charakteryzuje się dobrą stabilnością chemiczną w kontakcie z organicznymi elektrolitami, takimi jak LiPF₆, i nie jest podatne na reakcje podczas długotrwałego użytkowania.
3. Przewodność i projektowanie strukturalne
• Połączenie kolektora prądu: Aluminium jest preferowanym materiałem na kolektory prądu elektrody dodatniej (takie jak folia aluminiowa). Obudowę aluminiową można bezpośrednio połączyć z elektrodą dodatnią, co upraszcza konstrukcję wewnętrzną, zmniejsza rezystancję i poprawia wydajność przesyłu energii.
• Wymagania dotyczące przewodnictwa obudowy: W niektórych typach akumulatorów aluminiowa obudowa stanowi część ścieżki przepływu prądu, np. w akumulatorach cylindrycznych, które pełnią zarówno funkcję przewodnictwa, jak i funkcję ochronną.
4. Wydajność przetwarzania
• Doskonała ciągliwość: Aluminium jest łatwe do tłoczenia i rozciągania, dzięki czemu nadaje się do masowej produkcji skomplikowanych kształtów, takich jak folie aluminiowo-plastikowe do akumulatorów kwadratowych i miękkich. Obróbka stalowych powłok jest trudna i kosztowna.
• Gwarancja uszczelnienia: Technologia spawania powłok aluminiowych jest dojrzała, np. spawanie laserowe, co pozwala na skuteczne uszczelnienie elektrolitu, zapobiega przedostawaniu się wilgoci i tlenu oraz wydłuża żywotność akumulatora.
5. Zarządzanie ciepłem
• Wysoka wydajność rozpraszania ciepła: Przewodność cieplna aluminium (ok. 237 W/m·K) jest znacznie wyższa niż stali (ok. 50 W/m·K), co pomaga akumulatorowi szybko rozpraszać ciepło podczas pracy i zmniejsza ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury.
6. Koszt i ekonomia
• Niskie koszty materiałów i przetwarzania: Cena surowca aluminium jest umiarkowana, a zużycie energii w procesie przetwarzania niskie, co sprzyja produkcji na dużą skalę. Z kolei materiały takie jak stal nierdzewna są droższe.
7. Projektowanie bezpieczeństwa
• Mechanizm redukcji ciśnienia: Obudowy aluminiowe mogą redukować ciśnienie wewnętrzne i zapobiegać wybuchowi w przypadku przeładowania lub niekontrolowanego wzrostu temperatury dzięki zastosowaniu zaworów bezpieczeństwa, np. konstrukcji CID Flip w akumulatorach cylindrycznych.
8. Praktyki branżowe i standaryzacja
• Obudowy aluminiowe zyskały szerokie zastosowanie już na początku komercjalizacji baterii litowych, czego przykładem jest bateria 18650 wprowadzona na rynek przez firmę Sony w 1991 r., co przyczyniło się do powstania dojrzałego łańcucha przemysłowego i standardów technicznych, a także dalszego umocnienia jej pozycji jako głównego nurtu.
Zawsze są wyjątki. W niektórych szczególnych sytuacjach stosuje się również pociski stalowe:
W niektórych scenariuszach, w których obowiązują wyjątkowo wysokie wymagania dotyczące wytrzymałości mechanicznej, na przykład w przypadku niektórych akumulatorów lub zastosowań w ekstremalnych warunkach środowiskowych, można stosować obudowy ze stali niklowanej, ale wiąże się to ze wzrostem wagi i ceny.
Wniosek
Obudowy aluminiowe stały się idealnym wyborem dla obudów akumulatorów litowych ze względu na swoje liczne zalety, takie jak lekkość, odporność na korozję, dobra przewodność, łatwość obróbki, doskonałe odprowadzanie ciepła i niski koszt, idealnie równoważąc wydajność, bezpieczeństwo i wymagania ekonomiczne.
Czas publikacji: 17-02-2025
