Jeśli zdemontujesz akumulator litowo-jonowy, okaże się, że elektroda dodatnia jest wykonana z folii aluminiowej, a elektroda ujemna z folii miedzianej. Wiele osób jest zaciekawionych, gdy po raz pierwszy poznają ten szczegół: dlaczego nie można odwrócić ról? Dlaczego nie zastosować folii miedzianej do elektrody dodatniej i folii aluminiowej do elektrody ujemnej? Odpowiedź jest jasna: to po prostu nie zadziała. Ich wymiana uniemożliwiłaby prawidłowe działanie akumulatora, a nawet mogłaby prowadzić do problemów z bezpieczeństwem. Aby to zrozumieć, musimy najpierw przyjrzeć się kolektorom prądu. Co to jest odbierak prądu? Mówiąc najprościej, działa jak wewnętrzne „okablowanie” akumulatora. Ponieważ materiały elektrod dodatnich i ujemnych mają postać proszku i nie można ich podłączyć bezpośrednio do przewodów zewnętrznych, należy je nałożyć na folię metalową; folia ta zbiera prąd i przekazuje go do obwodu zewnętrznego. Folia po stronie dodatniej nazywana jest kolektorem prądu dodatniego, a folia po stronie ujemnej jest kolektorem prądu ujemnego. Po co więc konkretnie używać aluminium jako strony dodatniej i miedzi jako strony ujemnej? Wszystko sprowadza się do jednego kluczowego punktu: potencjały robocze elektrody dodatniej i ujemnej znacznie się różnią. Kolektor prądu musi pozostać stabilny w określonym zakresie potencjału,-nie może korodować ani ulegać reakcjom chemicznym. Dlaczego należy stosować folię miedzianą na elektrodzie ujemnej? Gdy grafitowa elektroda ujemna jest w pełni naładowana, jej potencjał spada do niemal 0 V (w porównaniu z elektrodą litową)-bardzo niskiego poziomu. Przy tym potencjale aluminium zachowuje się katastrofalnie. Badania pokazują, że gdy potencjał aluminium spadnie poniżej 0,284 V (w stosunku do elektrody litowej), jony litu „interkalują” w siatkę krystaliczną aluminium, tworząc stop litu-aluminium. Ten proces tworzenia stopu powoduje ogromne zwiększenie objętości-objętość aluminium zwiększa się o prawie 97%. Już po kilku cyklach-rozładowania folia aluminiowa ulega sproszkowaniu i kruszy się, całkowicie tracąc swoją funkcję odbieraka prądu. Co więcej, proces ten powoduje zużycie dużej ilości aktywnego litu, co powoduje gwałtowny spadek pojemności akumulatora. Z drugiej strony miedź jest znacznie stabilniejsza przy niskich potencjałach. Nie tworzy stabilnych stopów z litem; w zakresie niskiego-potencjału elektrody ujemnej nie ulega ona redukcji ani korozji, zachowując integralność strukturalną i niezawodną przewodność. Nawet jeśli na elektrodzie ujemnej wystąpi powłoka litowa, miedziany kolektor prądu pozostanie nieuszkodzony. Dlatego na elektrodę ujemną nadaje się tylko folia miedziana; folia aluminiowa nie będzie działać. Dlaczego należy zastosować folię aluminiową jako elektrodę dodatnią? Główne materiały elektrod dodatnich działają przy potencjałach od 2,5 V do 4,3 V (w odniesieniu do elektrody litowej), co stanowi wysoki zakres potencjału utleniającego. Miedź nie jest w stanie wytrzymać takiego środowiska. Jego odporność na utlenianie jest ograniczona; przy wysokich potencjałach przekraczających 4 V utlenia się do jonów miedzi i rozpuszcza się w elektrolicie. Oprócz stopniowej korozji samego kolektora prądu rozpuszczone jony miedzi mogą migrować przez separator i osadzać się na powierzchni anody, powodując wewnętrzne mikro-zwarcia. Prowadzi to do ciągłej degradacji wydajności i wzrostu zagrożeń dla bezpieczeństwa. Z drugiej strony aluminium pozostaje stabilne przy wysokich potencjałach. W naturalny sposób tworzy gęstą warstwę pasywacyjną tlenku glinu (Al₂O₃) pod wpływem powietrza. Chociaż warstwa ta jest izolująca elektrycznie, ma grubość zaledwie nanometrów, co umożliwia elektronom przenikanie poprzez „efekt tunelowania kwantowego”. Zapewnia to niezakłóconą przewodność, a warstwa działa jak pancerz, chroniąc leżące pod spodem aluminium przed dalszym utlenianiem. Folia aluminiowa pozostaje stabilna nawet przy potencjale 4,5 V lub wyższym. W związku z tym folia aluminiowa jest jedynym odpowiednim wyborem dla kolektora prądu katodowego; folia miedziana nie. Oprócz krytycznego kryterium stabilności elektrochemicznej na wybór między folią miedzianą a aluminiową wpływa kilka czynników praktycznych: Przewodność. Zarówno miedź, jak i aluminium zapewniają doskonałą przewodność, ustępując jedynie srebru i złocie. Biorąc pod uwagę wysoki koszt srebra i złota, miedź i aluminium stanowią najbardziej opłacalne opcje. Waga. Aluminium ma gęstość 2,7 g/cm3, natomiast miedź 8,9 g/cm3. Zastosowanie folii aluminiowej na katodzie znacznie zmniejsza wagę akumulatora, przyczyniając się zasadniczo do wyższej gęstości energii. Koszt. Aluminium jest tańsze od miedzi, co pozwala na znaczne oszczędności w produkcji masowej. Przetwarzalność. Obydwa metale charakteryzują się doskonałą ciągliwością, dzięki czemu można je zwinąć w-ultracienkie folie (6–12 mikrometrów), które spełniają wymagania procesów{{60}produkcji masowej, takich jak powlekanie i kalandrowanie. Zgodność przyczepności. Warstwa tlenku na folii aluminiowej skutecznie łączy się z aktywnymi materiałami katodowymi i spoiwami, podczas gdy folia miedziana zapewnia doskonałe wiązanie z grafitem anodowym i spoiwami. Czy są wyjątki? Jest jeden szczególny przypadek: anoda z tytanianu litu (LTO). Jego potencjał roboczy wynosi około 1,55 V, czyli powyżej progu, przy którym aluminium ulega stopowaniu. Teoretycznie folię aluminiową można zastosować jako kolektor prądu anodowego, aby jeszcze bardziej obniżyć koszty i wagę; jednakże przemysł obecnie opiera się głównie na sprawdzonych rozwiązaniach w zakresie folii miedzianej do produkcji masowej. Dodatkowo na uwagę zasługuje pojawiająca się technologia kompozytowych kolektorów prądu; charakteryzujący się strukturą „podłoże polimerowe plus powłoka metalowa”, oferuje zarówno lekkie właściwości, jak i zwiększone bezpieczeństwo, ponieważ warstwa metalu pęka podczas niekontrolowanej utraty ciepła, przerywając prąd. Stanowi to kluczową ścieżkę modernizacji akumulatorów nowej-generacji-o wysokim bezpieczeństwie. Wracając do pytania początkowego: zastosowanie folii aluminiowej na katodę i folii miedzianej na anodę nie jest arbitralnym wyborem, ale nieuniknionym rezultatem podyktowanym zasadami elektrochemicznymi. Aluminium chroni się poprzez warstwę pasywacyjną w warunkach-wysokiego napięcia katody, podczas gdy miedź utrzymuje stabilność dzięki obojętności chemicznej w warunkach-niskiego napięcia anody.-pierwsza jest odporna na utlenianie, a druga na powstawanie stopów; każdy ma swój własny grunt i żaden nie może zastąpić drugiego.
