Ako rastavite litij-ionsku bateriju, vidjet ćete da pozitivna elektroda koristi aluminijsku foliju, dok negativna elektroda koristi bakrenu foliju. Mnogi ljudi su znatiželjni kada prvi put saznaju ovaj detalj: zašto se uloge ne mogu zamijeniti? Zašto ne koristiti bakrenu foliju za pozitivnu elektrodu i aluminijsku foliju za negativnu? Odgovor je jasan: jednostavno neće uspjeti. Njihova zamjena spriječila bi ispravno funkcioniranje baterije i čak bi mogla dovesti do sigurnosnih problema. Da bismo ovo razumjeli, prvo moramo pogledati kolektore struje. Što je kolektor struje? Jednostavno rečeno, djeluje kao unutarnje "ožičenje" baterije. Budući da su materijali pozitivne i negativne elektrode u obliku praha i ne mogu se izravno spojiti na vanjske žice, moraju se nanijeti na metalnu foliju; ova folija skuplja struju i prenosi je u vanjski krug. Folija na pozitivnoj strani zove se pozitivni kolektor, a ona na negativnoj strani je negativni kolektor. Dakle, zašto koristiti aluminij za pozitivnu stranu, a bakar za negativnu? Svodi se na jednu ključnu točku: radni potencijali pozitivne i negativne elektrode uvelike se razlikuju. Sakupljač struje mora ostati stabilan unutar svog specifičnog potencijalnog raspona-ne može korodirati niti biti podvrgnut kemijskim reakcijama. Zašto se za negativnu elektrodu mora koristiti bakrena folija? Kada je grafitna negativna elektroda potpuno napunjena, njen potencijal pada na blizu 0 V (u odnosu na litijevu elektrodu)-što je iznimno niska razina. Aluminij se na tom potencijalu ponaša katastrofalno. Istraživanja pokazuju da kada potencijal aluminija padne ispod 0,284 V (u odnosu na litijevu elektrodu), ioni litija "umeću" se u kristalnu rešetku aluminija, tvoreći litij-leguru aluminija. Ovaj proces legiranja uzrokuje veliko povećanje volumena-aluminij se povećava za gotovo 97%. Nakon samo nekoliko ciklusa punjenja-pražnjenja, aluminijska folija se usitnjava i mrvi, potpuno gubeći svoju funkciju kolektora struje. Nadalje, ovaj proces troši veliku količinu aktivnog litija, uzrokujući pad kapaciteta baterije. Bakar je, s druge strane, puno stabilniji pri niskim potencijalima. Ne stvara stabilne legure s litijem; unutar raspona niskog-potencijala negativne elektrode, ne podliježe niti redukciji niti koroziji, održavajući strukturni integritet i pouzdanu vodljivost. Čak i ako dođe do presvlačenja litijem na negativnoj elektrodi, bakreni kolektor struje ostaje neoštećen. Stoga je samo bakrena folija prikladna za negativnu elektrodu; aluminijska folija neće raditi. Zašto se za pozitivnu elektrodu mora koristiti aluminijska folija? Glavni materijali pozitivnih elektroda rade na potencijalima između 2,5 V i 4,3 V (u odnosu na litijevu elektrodu), što predstavlja visoki raspon potencijala oksidacije. Bakar ne može izdržati ovo okruženje. Njegova otpornost na oksidaciju je ograničena; pri visokim potencijalima većim od 4V, oksidira u ione bakra i otapa se u elektrolitu. Osim postupne korozije samog kolektora struje, otopljeni ioni bakra mogu migrirati kroz separator i taložiti se na površini anode, uzrokujući unutarnje mikro-kratke spojeve. To dovodi do kontinuirane degradacije kapaciteta i eskalacije sigurnosnih rizika. Aluminij, naprotiv, ostaje stabilan pri visokim potencijalima. Prirodno stvara gusti pasivacijski sloj aluminijevog oksida (Al₂O₃) kada je izložen zraku. Iako je ovaj sloj električni izolacijski, debeo je samo nanometara, što omogućuje prolaz elektronima putem "efekta kvantnog tuneliranja". To osigurava da vodljivost ostaje nesmetana dok sloj djeluje kao oklop, štiteći aluminij ispod njega od daljnje oksidacije. Aluminijska folija ostaje stabilna čak i pri potencijalima od 4,5 V ili više. Stoga je aluminijska folija jedini prikladan izbor za katodni kolektor; bakrena folija nije. Osim kritičnog kriterija elektrokemijske stabilnosti, nekoliko praktičnih čimbenika utječe na izbor između bakrene i aluminijske folije: Vodljivost. I bakar i aluminij nude izvrsnu vodljivost, odmah iza srebra i zlata. S obzirom na visoku cijenu srebra i zlata, bakar i aluminij predstavljaju-najučinkovitije opcije. Težina. Aluminij ima gustoću od 2,7 g/cm³, dok je bakar 8,9 g/cm³. Korištenje aluminijske folije za katodu značajno smanjuje težinu baterije, značajno pridonoseći većoj gustoći energije. trošak. Aluminij je jeftiniji od bakra, što nudi značajne uštede u masovnoj proizvodnji. Mogućnost obrade. Oba metala posjeduju izvrsnu duktilnost, što im omogućuje valjanje u ultra-tanke folije (6–12 mikrometara) koje ispunjavaju zahtjeve procesa masovne-proizvodnje kao što su premazivanje i kalandriranje. Kompatibilnost prianjanja. Oksidni sloj na aluminijskoj foliji učinkovito se povezuje s katodnim aktivnim materijalima i vezivima, dok bakrena folija nudi vrhunsko spajanje s anodnim grafitom i vezivima. Ima li izuzetaka? Postoji jedan poseban slučaj: anoda od litij titanata (LTO). Njegov radni potencijal je oko 1,55 V, što je iznad praga na kojem se aluminij podvrgava legiranju. Teoretski, aluminijska folija mogla bi se koristiti kao anodni kolektor struje kako bi se dodatno smanjili troškovi i težina; međutim, industrija se trenutno prvenstveno oslanja na utvrđeno rješenje bakrene folije za masovnu proizvodnju. Dodatno, kompozitna tehnologija kolektora struje u nastajanju zaslužuje pozornost; sa strukturom "polimerne podloge plus metalna prevlaka", nudi i lagana svojstva i povećanu sigurnost, budući da se metalni sloj lomi tijekom toplinskog odlaska kako bi se prekinulo strujanje. Ovo predstavlja ključni put nadogradnje za sljedeću-generaciju baterija visoke-sigurnosti. Vraćajući se na početno pitanje: korištenje aluminijske folije za katodu i bakrene folije za anodu nije proizvoljan izbor, već neizbježan rezultat diktiran elektrokemijskim principima. Aluminij se štiti putem pasivizirajućeg sloja pod visokim-naponskim uvjetima katode, dok bakar održava stabilnost kroz kemijsku inertnost pod niskim-naponskim uvjetima anode-jedan otporan je na oksidaciju, drugi otporan na legiranje; svaki drži svoje vlastito tlo, i nijedan ne može zamijeniti drugoga.
