Was ist Kupferfolie?

Was ist Kupferfolie?

Ein Material, über das niemand spricht, bis etwas schief geht

Jeder Lithium--Ionen-Akku enthält Kupferfolie. Ihr Telefon, Ihr Laptop, das draußen geparkte Elektrofahrzeug - sie alle. Die Folie sitzt hinter der Graphitanode und erfüllt eine Aufgabe: Elektronen hinein und heraus zu bewegen. Nicht glamourös. Zulieferer erhalten auf Batteriekonferenzen keine Keynote-Vorträge. Aber wenn die Folie versagt, versagt die ganze Zelle.

Ich habe fünfzehn Jahre in dieser Branche verbracht. Über Kupferfolie habe ich anfangs nicht viel nachgedacht. Kathodenmaterialien erregten die ganze Aufmerksamkeit - NCM-Verhältnisse, Kobaltbeschaffung, solche Dinge. Die Folie war einfach da. Dann sah ich, wie Zellen mit Kupferauflösungsproblemen aus dem Feld zurückkehrten, und mir wurde klar, wie wenig die meisten Ingenieure tatsächlich darüber wissen, was an dieser Schnittstelle passiert.

Kupferfolie in Batteriequalität-ist für die meisten Anwendungen zwischen 6 und 12 Mikrometer dick. Einige Hersteller haben sich auf 4,5 Mikrometer gedrängt. Ein menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer groß, um Ihnen einen Eindruck von der Größe zu vermitteln.

Zwei Möglichkeiten, es zu machen. Bei der elektrolytischen Abscheidung - löst man Kupfer in Schwefelsäure auf, lässt Strom durch die Lösung laufen und plattiert das Kupfer auf eine rotierende Trommel. Abziehen, aufrollen. Das sind über 90 Prozent des Marktes. Die andere Methode ist das Walzen, bei dem man mit einem Kupferbarren beginnt und ihn durch wiederholte Durchgänge mechanisch dünner macht. Durch Walzen erhält man bessere mechanische Eigenschaften, ist aber teurer. Die meisten Zellhersteller wollen die Prämie nicht zahlen.

Copper Foil

Eine dünnere Folie bedeutet mehr Platz für aktives Material bei gleichem Zellvolumen. Das ist Energiedichte. Der Wandel von 8-Mikrometer- auf 6-Mikrometer-Folie im letzten Jahrzehnt gab den Zellherstellern einen echten Aufschwung, ohne dass sich sonst etwas an ihren Designs änderte. Es wird schwieriger, dünner als 6 Mikrometer zu werden. Beim Beschichten reißt die Folie. In der Wickelmaschine knittert es. Die Erträge sinken.

Ich habe vor ein paar Jahren eine Beschichtungsanlage in der Provinz Jiangsu besichtigt, wo 4,5-Mikron-Folie qualifiziert wurde. Um ein Reißen der Folie zu verhindern, mussten die Bediener die Liniengeschwindigkeit um 30 Prozent verlangsamen. Darüber war niemand glücklich. Der Durchsatz ist wichtig, wenn Sie versuchen, Kostenziele zu erreichen.

Elektrolytfolie hat zwei Seiten. Die Trommelseite ist glänzend und glatt. Die andere Seite -, die matte Seite -, hat mehr Textur. Sie tragen die Anodenaufschlämmung auf die matte Seite auf, da die Rauheit die Haftung fördert. Theoretisch ganz einfach. Copper Foil

Aber die Oberflächenrauheit ist ein Kompromiss. Zu glatt und die Beschichtung blättert nach einigen hundert Zyklen ab. Zu rau und es entstehen dünne Stellen in der Beschichtung, wo blankes Kupfer den Elektrolyten berührt. Das ist schlecht. Kupfer löst sich unter bestimmten Bedingungen im Elektrolyten, wandert zur Kathode, plattiert dort und schließt schließlich die Zelle kurz. Ich habe gesehen, dass Zellen auf diese Weise ausgefallen sind, nachdem sie im Lager gesessen haben -, ohne dass sie einen Zyklus durchlaufen haben, sondern nur mit einem korrodierenden Stromkollektor daliegen.

Folienlieferanten investieren viel Mühe in die Kontrolle der Rauheit. Additivpakete im Galvanisierbad. Post-Behandlungsschritte. Einige Lieferanten führen bei Anwendungen, bei denen beide Seiten beschichtet werden, auch eine leichte Aufraubehandlung auf der Trommelseite durch.

Der Standardelektrolyt in Lithium{0}}-Ionenzellen ist LiPF6, gelöst in organischen Carbonaten. Es soll Kupfer nicht angreifen. Kupfer ist bei Anodenpotentialen stabil. Aber es gibt natürlich immer eine Feuchtigkeitsverunreinigung von - Teilen pro Million, aber sie ist da. Feuchtigkeit reagiert mit LiPF6 unter Bildung von HF. Flusssäure. Böses Zeug. Es frisst Kupfer.

Ein Fehlermodus, den ich mehrfach untersucht habe: Die Anodenbeschichtung reißt während des Zyklus, legt blanke Folie frei und der HF macht sich an die Arbeit. Gelöste Kupferionen wandern durch den Separator, lagern sich als metallisches Kupfer auf der Kathode ab und es entsteht schließlich ein weicher Kurzschluss. Der Kapazitätsabbau beschleunigt sich. Manchmal entlüftet die Zelle. Wir haben einen Rückruf auf eine fehlerhafte Foliencharge zurückgeführt, die übermäßig viel Oberflächenoxid aufwies - Die Oxidschicht schützte das darunter liegende Kupfer nicht so, wie sie es hätte tun sollen.

Entlädt man eine Zelle unter ihre Abschaltspannung, steigt das Anodenpotential. Wenn Sie weit genug gehen, beginnen Sie, Kupfer elektrochemisch aufzulösen. Dies ist nicht umstritten - es ist in der Literatur dokumentiert und jeder erfahrene Zellingenieur hat es gesehen.

Das Problem tritt bei in Reihe geschalteten Paketen auf, bei denen die Kapazitäten der Zellen nicht übereinstimmen. Die schwächste Zelle entleert sich zuerst und wird dann von den anderen Zellen in die Umkehrung getrieben. Dafür haben die Pack-Designer Schutzschaltungen eingebaut. Aber Schutzschaltungen versagen manchmal. Fälschungsschutz-ICs sind in der Lieferkette eine echte Sache. Billige BMS-Boards mit Komponenten, die nicht den Spezifikationen entsprechen. Ich habe Kupferauflösungen in Packungen gesehen, die angeblich einen Umkehrschutz hatten.

Siliziumanoden kommen. Jeder weiß, dass Silizium auf Massenbasis mehr Lithium speichert als Graphit -, etwa zehnmal mehr. Was die Leute nicht immer durchdenken, ist, was Silizium mit dem Stromkollektor macht.

Silizium dehnt sich beim Lithiieren massiv aus. Über 300 Prozent Volumenänderung. Die Anodenschicht schwillt bei jedem Zyklus an und zieht sich zusammen. Herkömmliche Kupferfolien sind für diese mechanische Beanspruchung nicht ausgelegt. Ermüdungsrisse. Delaminierung. Verlust des elektrischen Kontakts. Einige Entwickler von Siliziumanoden arbeiten mit hoch{8}zugfesten Kupferlegierungen oder 3D-strukturierten Folien mit eingebauter-Porosität, um der Ausdehnung Rechnung zu tragen. Es ist ein aktiver Bereich, es gibt viele eigene Entwicklungen, es gibt noch keinen klaren Gewinner.

Ein Startup, mit dem ich letztes Jahr gesprochen habe, verwendete eine Folie aus einer Kupfer-Nickel-Siliziumlegierung, die bei erhöhten Temperaturen eine Zugfestigkeit von über 500 MPa beibehielt. Der Nachteil- war eine geringere Leitfähigkeit -, vielleicht 60 Prozent von reinem Kupfer. Für ihre Anwendung hat es funktioniert. Es ist nicht klar, ob es skaliert.

Copper Foil

Der Großteil der Batteriekupferfolie stammt von einer Handvoll Herstellern in China, Japan und Korea. Furukawa, Mitsui, Iljin, Tongguan - Diese Namen tauchen immer wieder auf Datenblättern auf. Nordamerikanische und europäische Zellhersteller importieren überwiegend. Es ist die Rede davon, die Folienproduktion zu lokalisieren, wenn regionale Batteriekapazitäten ans Netz gehen, aber es dauert Jahre, diese Kapazität aufzubauen. Die Herstellung von Elektrolytfolien ist ausrüstungsintensiv und erfordert Know-how. Sie können nicht einfach Maschinen kaufen und im nächsten Quartal mit dem Versand von Qualitätsfolie beginnen.

Die Preisgestaltung richtet sich nach den Rohstoffpreisen für Kupfer zuzüglich einer Umrechnungsgebühr. Für dünnere Folien fallen höhere Umrechnungsgebühren an, da die Erträge geringer sind und die Qualitätskontrolle schwieriger ist. Die Preisspanne zwischen 8 Mikron und 4,5 Mikron spiegelt diese Schwierigkeit wider.

Kupferfolie ist in vielerlei Hinsicht ein ausgereiftes Bauteil. Die grundlegende Produktionstechnologie hat sich seit Jahrzehnten nicht dramatisch verändert. Die Spezifikationen werden jedoch immer strenger, da die Anforderungen an die Zellleistung steigen. Zugfestigkeit, Dehnung, Gleichmäßigkeit der Dicke, Oberflächenrauheit, Korrosionsbeständigkeit - – all diese Faktoren beeinflussen die Qualität und Lebensdauer der Zellen.

Die Ingenieure, mit denen ich zusammenarbeite, betrachten Folie manchmal als Massenware. Holen Sie sich den günstigsten Anbieter, der die Spezifikationen erfüllt, und machen Sie weiter. Das funktioniert so lange, bis es nicht mehr funktioniert. Ein paar ppm mehr Feuchtigkeit in der Folie, eine Rauheitsverteilung, die leicht außerhalb der Kontrollgrenzen liegt, eine schwache Charge, die die Qualitätskontrolle bestanden hat, weil der Probenahmeplan nicht streng genug war - all das kann sich Monate oder Jahre später als Feldfehler zeigen. Dann ist es für eine kostengünstige Reparatur zu spät.

Niemand wird Kupfer in absehbarer Zeit ersetzen. Aluminium funktioniert bei Anodenpotentialen nicht. Nickel kostet zu viel. Verbundfolien mit Polymerkern befinden sich in der Entwicklung, sind aber noch nicht produktionsreif. Mindestens die nächsten zehn Jahre bleibt die Kupferfolie dort, wo sie ist: in jeder Lithium--Ionenzelle, und verrichtet still und leise ihre Arbeit, bis etwas schief geht.