Bir lityum{0}}iyon pili sökerseniz, pozitif elektrotun alüminyum folyo kullandığını, negatif elektrotun ise bakır folyo kullandığını göreceksiniz. Pek çok kişi bu ayrıntıyı ilk öğrendiğinde merak ediyor: Roller neden tersine çevrilemiyor? Neden pozitif elektrot için bakır folyo ve negatif için alüminyum folyo kullanmıyorsunuz? Cevap açık: kesinlikle işe yaramayacak. Bunları değiştirmek pilin düzgün çalışmasını engelleyebilir ve hatta güvenlik sorunlarına yol açabilir. Bunu anlamak için öncelikle mevcut koleksiyonerlere bakmamız gerekiyor. Güncel koleksiyoncu nedir? Basitçe söylemek gerekirse, pilin dahili "kablolaması" görevi görür. Pozitif ve negatif elektrot malzemeleri toz halinde olduğundan ve harici kablolara doğrudan bağlanamayacağından metal bir folyo üzerine kaplanması gerekir; bu folyo akımı toplar ve harici devreye iletir. Pozitif taraftaki folyoya pozitif akım toplayıcı, negatif taraftaki folyoya ise negatif akım toplayıcı adı verilir. Peki neden özellikle pozitif taraf için alüminyum ve negatif taraf için bakır kullanılıyor? Önemli bir noktaya geliyoruz: pozitif ve negatif elektrotların çalışma potansiyelleri büyük farklılıklar gösteriyor. Akım toplayıcının belirli potansiyel aralığı dahilinde sabit kalması gerekir-korozyona uğramaz veya kimyasal reaksiyonlara giremez. Negatif elektrot için neden bakır folyo kullanılmalıdır? Grafit negatif elektrot tamamen şarj olduğunda potansiyeli 0V yakınına (lityum elektrotla karşılaştırıldığında)-çok düşük bir seviyeye düşer. Alüminyum bu potansiyel karşısında felaket gibi davranır. Araştırmalar, alüminyumun potansiyeli 0,284V'un altına düştüğünde (lityum elektroda göre), lityum iyonlarının alüminyum kristal kafesine "araya geçerek" bir lityum-alüminyum alaşımı oluşturduğunu göstermektedir. Bu alaşımlama işlemi çok büyük hacim genişlemesine neden olur-alüminyumun hacmi neredeyse %97 oranında genişler. Yalnızca birkaç şarj-deşarj döngüsünden sonra alüminyum folyo toz haline gelir ve ufalanır ve akım toplayıcı işlevini tamamen kaybeder. Ayrıca bu işlem büyük miktarda aktif lityum tüketerek pilin kapasitesinin düşmesine neden olur. Bakır ise düşük potansiyellerde çok daha kararlıdır. Lityum ile stabil alaşımlar oluşturmaz; Negatif elektrotun düşük-potansiyel aralığı dahilinde, ne azalmaya ne de korozyona uğrayarak yapısal bütünlüğü ve güvenilir iletkenliği korur. Negatif elektrotta lityum kaplama oluşsa bile bakır akım toplayıcı hasar görmeden kalır. Bu nedenle negatif elektrot için yalnızca bakır folyo uygundur; alüminyum folyo işe yaramaz. Pozitif elektrot için neden alüminyum folyo kullanılmalıdır? Ana akım pozitif elektrot malzemeleri, yüksek bir oksidasyon potansiyeli aralığı oluşturan 2,5V ile 4,3V (lityum elektrota göre) arasındaki potansiyellerde çalışır. Bakır bu ortama dayanamaz. Oksidasyon direnci sınırlıdır; 4V'u aşan yüksek potansiyellerde bakır iyonlarına oksitlenir ve elektrolit içinde çözünür. Akım toplayıcının kademeli korozyonunun ötesinde, çözünmüş bakır iyonları ayırıcı boyunca hareket edebilir ve anot yüzeyinde birikerek dahili mikro{35}kısa devrelere neden olabilir. Bu, sürekli kapasite bozulmasına ve artan güvenlik risklerine yol açar. Alüminyum ise yüksek potansiyellerde stabil kalır. Doğal olarak havaya maruz kaldığında yoğun bir alüminyum oksit (Al₂O₃) pasivasyon tabakası oluşturur. Bu katman elektriksel olarak yalıtkan olmasına rağmen yalnızca nanometre kalınlığındadır ve elektronların "kuantum tünelleme etkisi" yoluyla geçmesine izin verir. Bu, katman zırh görevi görürken alttaki alüminyumu daha fazla oksidasyondan korurken iletkenliğin engellenmeden kalmasını sağlar. Alüminyum folyo 4,5V veya daha yüksek potansiyellerde bile stabil kalır. Sonuç olarak, katot akımı toplayıcı için tek uygun seçenek alüminyum folyodur; bakır folyo değildir. Kritik elektrokimyasal kararlılık kriterinin ötesinde, bakır ve alüminyum folyo arasındaki seçimi etkileyen birkaç pratik faktör vardır: İletkenlik. Hem bakır hem de alüminyum mükemmel iletkenlik sunar; gümüş ve altından sonra ikinci sırada gelir. Gümüş ve altının yüksek maliyeti göz önüne alındığında, bakır ve alüminyum en uygun maliyetli seçenekleri temsil ediyor. Ağırlık. Alüminyumun yoğunluğu 2,7 g/cm³, bakırın yoğunluğu ise 8,9 g/cm³'tür. Katot için alüminyum folyo kullanılması pil ağırlığını önemli ölçüde azaltır ve daha yüksek enerji yoğunluğuna önemli ölçüde katkıda bulunur. Maliyet. Alüminyum bakırdan daha ucuzdur ve seri üretimde önemli tasarruf sağlar. İşlenebilirlik. Her iki metal de mükemmel sünekliğe sahiptir ve kaplama ve perdahlama gibi seri üretim süreçlerinin gereksinimlerini karşılayan ultra-ince folyolara (6-12 mikrometre) dönüştürülmelerine olanak tanır. Yapışma uyumluluğu. Alüminyum folyo üzerindeki oksit tabakası, katot aktif malzemeleri ve bağlayıcılarla etkili bir şekilde bağlanırken, bakır folyo, anot grafit ve bağlayıcılarla üstün bağlanma sağlar. İstisnalar var mı? Özel bir durum vardır: lityum titanat (LTO) anot. Çalışma potansiyeli 1,55V civarında olup, bu değer alüminyumun alaşıma uğradığı eşiğin üzerindedir. Teorik olarak, maliyetleri ve ağırlığı daha da azaltmak için anot akım toplayıcı olarak alüminyum folyo kullanılabilir; ancak endüstri şu anda seri üretim için öncelikle yerleşik bakır folyo çözümüne güveniyor. Ek olarak, ortaya çıkan kompozit akım toplayıcı teknolojisi de dikkat gerektirmektedir; "Polimer substrat artı metal kaplama" yapısına sahip olup, metal katman termal kaçak sırasında akımı keserek kırıldığından hem hafif özellikler hem de artırılmış güvenlik sunar. Bu, yeni{69}}nesil, yüksek{70}}güvenlik pilleri için önemli bir yükseltme yolunu temsil eder. Başlangıçtaki soruya dönersek: katot için alüminyum folyo ve anot için bakır folyo kullanılması keyfi bir seçim değil, elektrokimyasal prensiplerin gerektirdiği kaçınılmaz bir sonuçtur. Alüminyum, katodun yüksek voltaj koşulları altında bir pasifleştirme katmanı yoluyla kendini korurken, bakır, anotun düşük-voltaj koşulları altında kimyasal eylemsizlik yoluyla stabiliteyi korur-biri oksidasyona, diğeri alaşımlaşmaya karşı direnç gösterir; her biri kendi zeminini korur ve hiçbiri diğerinin yerini tutamaz.
