ניתוח מנגנוני קורוזיה באלומיניום-תאי ברזל מכוסים ליתיום: שיפור בטיחות ואריכות ימים

עם ההתפתחות המהירה של תעשיות רכב האנרגיה החדשות, מערכת אחסון האנרגיה ותעשיות האלקטרוניקה, הדרישות לבטיחות, צפיפות האנרגיה וחיי המחזור של סוללות ליתיום- עולות ללא הרף. הודות לחוזק המכני המעולה שלהם, לאופי קל המשקל ויכולות פיזור החום המעולות שלהם, מארזי אלומיניום הפכו לפתרון אריזה מרכזי עבור סוללות רבות לאחסון חשמל ואנרגיה. בפרט, מארזי אלומיניום נמצאים בשימוש נרחב בסוללות כוח מנסרות, המספקות הגנה מבנית אמינה וניהול תרמי עבור תאי הסוללה.

 

בהשוואה לתאי כיס ועיצובים מסוימים של סוללות גליליות, סוללות מארז אלומיניום-מציעות עמידות מעולה בפני פגיעות ויציבות ממדית. במיוחד במערכות סוללות צריכת חשמל בעלות קיבולת- גבוהה, מארזי אלומיניום משפרים ביעילות את הקשיחות הכוללת של התאים ומפחיתים את הסיכון לעיוות הנגרם כתוצאה מלחץ מכני חיצוני במהלך הובלה ותפעול; כתוצאה מכך, הם נמצאים בשימוש נרחב במעבר מסילות, אחסון אנרגיית חשמל ויישומי רכבי אנרגיה חדשים.

 

בתנאי הפעלה רגילים נוצרת שכבת פסיבציית תחמוצת צפופה ויציבה על פני מעטפת האלומיניום. סרט מגן זה מונע למעשה מגע ישיר בין מצע המתכת למדיה חיצונית, ובכך משפר את עמידות בפני קורוזיה. עבור מארזי אלומיניום המשמשים בתאי סוללת ליתיום-פולימר, השלמות של שכבת הפסיבציה הזו קשורה ישירות לאמינות-לטווח הארוך וחיי השירות של בית הסוללה.

 

ניתוח נוסף באמצעות ספקטרוסקופיה-מתפזרת אנרגטית (EDS) גילה שבעוד שהמעטפת השלמה מורכבת בעיקר מאלומיניום, האזורים הקורוזיים מכילים כמויות משמעותיות של חמצן ופחמן. זה מצביע על כך שתהליך הקורוזיה כרוך ביצירת תוצרי תגובה כימית חדשים ושינויים אלקטרוכימיים מורכבים.

 

ניתוח דיפרקציית X-(XRD) הראה שמוצרי הקורוזיה מורכבים בעיקר מליתיום קרבונט ומכמויות מינוריות של תרכובות ליתיום-אלומיניום. זה מצביע על כך שבתנאים ספציפיים, יוני ליתיום משתתפים בתגובות כימיות על פני המעטפת. במקרה של מארזי סוללת ליתיום מנסרים, אם נוצר חיבור חשמלי בין האלקטרודה השלילית למעטפת, יוני ליתיום עשויים לנדוד עד המעטפת ולעבור תגובת אינטרקלציה.

 

מבחינה מכאנית, לסריג מתכת האלומיניום יש תצורה מבנית המתאימה לאינטרקלציה של ליתיום יון. כאשר האלקטרודה השלילית יוצרת מגע ישיר עם המעטפת, כמה יוני ליתיום עלולים להיכנס לרשת האלומיניום כדי ליצור תרכובות ליתיום-אלומיניום. ככל שהתגובה מתמשכת, נוצרים מוצרי ביניים כגון תחמוצת ליתיום וליתיום הידרוקסיד על פני המעטפת; זו הסיבה העיקרית לכך שהדגימות השכולות מפגינות בסיסיות ברורה.

 

ככל שהקורוזיה מתקדמת, תרכובות ליתיום אלו מגיבות עם פחמן דו חמצני באטמוספירה, ובסופו של דבר מייצרות מרבצי ליתיום קרבונט משמעותיים. עבור מארזי סוללת ליתיום ברזל פוספט (LFP), משקעים כאלה לא רק פוגעים בשלמות המבנית של המעטפת, אלא גם מאיצים את צריכת האלקטרוליטים ומגדילים את העכבה הפנימית, מה שמוביל לירידה מתמשכת בקיבולת הסוללה.

 

 

מעבר לתגובות הכימיות עצמן, שינויים בפוטנציאל המעטפת הם גורם קריטי המשפיע על קורוזיה. מחקרים מצביעים על כך שאמנם נשמר הבדל פוטנציאל משמעותי בין המעטפת לבין האלקטרודה השלילית בתא בריא, הבדל זה יורד כמעט לאפס בתאים העוברים קורוזיה. עבור תאי ליתיום- עם מעטפת אלומיניום, הפרש פוטנציאל נמוך מאותת לעתים קרובות על כשל במערכת הבידוד, ובכך ליצור תנאים המאפשרים את התקדמות תגובת הקורוזיה.

 

מנקודת מבט של ייצור, המפתח למניעת קורוזיה טמון בשיפור האמינות של הבידוד של המעטפת. תהליכי ייצור של מארזי אלומיניום חייבים לשלוט בקפדנות על מידות האלקטרודות, סובלנות הממדים ומיקום ההרכבה; בו זמנית, יש לחזק עיצובי בידוד באזור הלשונית כדי למנוע מגע ישיר בין האלקטרודה השלילית למארז. יתרה מזאת, יש להקים מנגנונים חזקים לניטור פוטנציאל המעטפת ומוצרי סקר כדי לזהות תאים עם סיכונים פוטנציאליים בשלב המוקדם ביותר האפשרי.

 

לסיכום, קורוזיה של מעטפת אלומיניום היא ביסודו תהליך אלקטרוכימי מורכב המונע ממגע לא תקין בין האלקטרודה השלילית לביןמעטפת סוללה מאלומיניום, אשר מפעילה תגובת שרשרת הכרוכה בשילוב של יוני ליתיום למתכת האלומיניום. ככל שסוללות בצפיפות-אנרגיה גבוהה-יתפתחו, האופטימיזציה של חומרי מעטפת אלומיניום, שדרוג מבני בידוד והתקדמות מתמשכת בטכנולוגיות בדיקת-קו יהיו חיוניים לשיפור הבטיחות, האמינות וחיי השירות של סוללות ליתיום-.