Dlaczego w bateriach litowych stosuje się obudowy aluminiowe?

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, dobrej wydajności przetwarzania, niskiego kosztu, dobrej wydajności rozpraszania ciepła itp.

1. Lekki

• Niska gęstość: Gęstość aluminium wynosi około 2,7 g/cm³, co jest znacznie niższe niż gęstość stali, która wynosi około 7,8 g/cm³. W urządzeniach elektronicznych, które wymagają wysokiej gęstości energii i lekkości, takich jak telefony komórkowe, laptopy i pojazdy elektryczne, obudowy aluminiowe mogą skutecznie zmniejszyć całkowitą wagę i poprawić wytrzymałość.

2. Odporność na korozję

• Możliwość adaptacji do środowisk wysokiego napięcia: Napięcie robocze materiałów dodatnich elektrod baterii litowej, takich jak materiały trójskładnikowe i tlenek litowo-kobaltowy, jest stosunkowo wysokie (3,0–4,5 V). Przy tym potencjale aluminium utworzy gęstą warstwę pasywacyjną tlenku glinu (Al₂O₃) na powierzchni, aby zapobiec dalszej korozji. Stal łatwo koroduje pod wpływem elektrolitu pod wysokim ciśnieniem, co powoduje pogorszenie wydajności baterii lub wyciek.

• Zgodność z elektrolitami: Aluminium charakteryzuje się dobrą stabilnością chemiczną w kontakcie z elektrolitami organicznymi, takimi jak LiPF₆, i nie jest podatne na reakcje podczas długotrwałego użytkowania.

3. Przewodnictwo i projektowanie strukturalne

• Połączenie kolektora prądu: Aluminium jest preferowanym materiałem dla kolektorów prądu elektrody dodatniej (takich jak folia aluminiowa). Powłoka aluminiowa może być bezpośrednio podłączona do elektrody dodatniej, co upraszcza wewnętrzną strukturę, zmniejsza rezystancję i poprawia wydajność przesyłu energii.

• Wymagania dotyczące przewodności powłoki: W niektórych typach baterii powłoka aluminiowa stanowi część ścieżki przepływu prądu, np. w bateriach cylindrycznych, które pełnią zarówno funkcję przewodności, jak i ochrony.

4. Wydajność przetwarzania

• Doskonała ciągliwość: Aluminium jest łatwe do tłoczenia i rozciągania, a także nadaje się do produkcji na dużą skalę skomplikowanych kształtów, takich jak folie aluminiowo-plastikowe do baterii kwadratowych i miękkich. Powłoki stalowe są trudne w obróbce i mają wysokie koszty.

• 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 termiczne

• Wysoka efektywność 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 do przetwarzania jest niskie, co jest odpowiednie dla produkcji na dużą skalę. Natomiast materiały takie jak stal nierdzewna są droższe.

7. Projektowanie bezpieczeństwa

• Mechanizm odciążający ciśnienie: Obudowy aluminiowe mogą uwalniać ciśnienie wewnętrzne i zapobiegać eksplozji w przypadku przeładowania lub niekontrolowanego wzrostu temperatury poprzez zaprojektowanie zaworów bezpieczeństwa, takich jak struktura CID Flip w akumulatorach cylindrycznych.

8. Praktyki branżowe i standaryzacja

• Obudowy aluminiowe cieszą się szerokim uznaniem od początków 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 scenariuszach stosuje się również stalowe skorupy:

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 zwiększonym ciężarem i kosztami.

Wniosek

Obudowy aluminiowe stały się idealnym wyborem dla obudów akumulatorów litowych ze względu na ich 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.