تأثير سمك رقاقة النحاس على أداء بطارية الليثيوم-xmacey.com

مدونة

التصنيفات

مدونة

مدونة جديدة

العلامات

تأثير سمك رقاقة النحاس على أداء بطارية الليثيوم

June 24 , 2025

تأثير سمك رقاقة النحاس على أداء بطارية الليثيوم

رقائق النحاس يُستخدم كحامل للقطب السالب ومجمع للتيار في بطاريات أيونات الليثيوم. يلعب سُمك رقاقة النحاس دورًا حيويًا في بطاريات الليثيوم، ويؤثر على أدائها وسلامتها وتكلفتها.

1. التأثير على كثافة طاقة البطارية

1.1 كثافة طاقة الكتلة

رقائق النحاس، كـ بطارية جامع حالي لا يشارك النحاس في التفاعل الكهروكيميائي نفسه. كلما قلّ سمكه، زادت نسبة المواد الفعالة (مثل الجرافيت) في البطارية. على سبيل المثال، يؤدي تقليل سمك رقاقة النحاس من 10 ميكرومتر إلى 6 ميكرومتر إلى تقليل الكتلة الكلية للمواد غير الفعالة في البطارية بنحو 40%، ويمكن استيعاب المزيد من المواد الفعالة بنفس الحجم. نظريًا، يمكن زيادة كثافة طاقة الكتلة بنسبة 5%-8%.

1.2 كثافة الطاقة الحجمية

تُقلل ميزة سُمك رقاقة النحاس الرقيقة بشكل مباشر من نسبة حجم المواد الخاملة داخل البطارية. على سبيل المثال، في بطاريات 18650، يُمكن زيادة استخدام المساحة الداخلية للبطارية بنسبة 3% تقريبًا مقارنةً برقاقة نحاسية بسُمك 12 ميكرومتر، مما يُؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة الحجمية.

2. التأثير على المقاومة الداخلية للبطارية وأداء المعدل
2.1 المقاومة الداخلية للتيار المستمر (DCR)
تتناسب مقاومة التيار المستمر لرقاقة النحاس عكسيًا مع سُمكها. ووفقًا لقانون أوم، فإن مقاومة رقاقة النحاس بسُمك 10 ميكرومتر تساوي ضعف مقاومة رقاقة النحاس بسُمك 5 ميكرومتر تقريبًا. تُظهر البيانات المُقاسة أن المقاومة الداخلية لبطارية ليثيوم مُزودة برقاقة نحاس بسُمك 10 ميكرومتر تبلغ حوالي 60 ملي أوم عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، بينما يُمكن خفض المقاومة الداخلية لبطارية مُزودة برقاقة نحاس بسُمك 5 ميكرومتر إلى أقل من 45 ملي أوم. يُساعد انخفاض المقاومة الداخلية على تقليل فقدان الحرارة أثناء الشحن والتفريغ.

2.2. معدل الأداء

تتميز رقاقة النحاس الرقيقة بمقاومة أقل، كما أن توزيع التيار يكون أكثر انتظامًا أثناء الشحن والتفريغ بتيارات عالية، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعية. على سبيل المثال، يمكن لبطارية برقاقة نحاسية بسُمك 6 ميكرومتر الحفاظ على معدل احتفاظ بسعة التفريغ بنسبة 85% عند معدل 10C، بينما لا تتجاوز نسبة الاحتفاظ ببطارية برقاقة نحاسية بسُمك 10 ميكرومتر 78%. وخاصةً في البطاريات عالية القدرة، تتميز رقاقة النحاس الرقيقة بتحسن ملحوظ في معدل الأداء.

Coated Copper foil

3. التأثير على عمر دورة البطارية
3.1 القوة الميكانيكية واستقرار الدورة
يرتبط سُمك رقاقة النحاس ارتباطًا وثيقًا بالقوة الميكانيكية: تبلغ قوة شد رقاقة النحاس بسُمك 10 ميكرومتر حوالي 280 ميجا باسكال، بينما تنخفض قوة شد رقاقة النحاس بسُمك 4 ميكرومتر إلى 220 ميجا باسكال. تُعرّض رقاقة النحاس الرقيقة جدًا للتشققات الدقيقة أثناء لفّ أو دوران قطعة القطب، مما يُؤدي إلى ضعف التلامس بين مُجمّع التيار والمادة الفعالة وزيادة المقاومة الداخلية. تُظهر التجارب أن معدل الاحتفاظ بالسعة للبطاريات ذات رقاقة النحاس بسُمك 4 ميكرومتر يبلغ 82% بعد 500 دورة، بينما يُمكن أن يصل إلى 88% للبطاريات ذات رقاقة النحاس بسُمك 8 ميكرومتر.

3.2 خطر اختراق شجيرات الليثيوم

إذا نمت شجيرات الليثيوم على القطب السالب لرقاقة نحاسية بسُمك أقل من 5 ميكرومتر أثناء دورة طويلة، فسيكون اختراقها أسهل، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي داخلي. وقد أظهرت الدراسات أن معدل فشل الدارة القصيرة الداخلية للبطاريات التي تستخدم رقائق نحاسية بسُمك أقل من 5 ميكرومتر في المراحل المتأخرة من الدورة أعلى بنحو 30% من معدل البطاريات التي تستخدم رقائق نحاسية بسُمك 8 ميكرومتر.

4. التأثير على سلامة البطارية
4.1 التوصيل الحراري وتبديد الحرارة
يؤثر سُمك رقاقة النحاس على كفاءة التوصيل الحراري الداخلي للبطارية. يبلغ معدل التوصيل الحراري لرقاقة نحاسية بسُمك 10 ميكرومتر حوالي 2 واط/(م・ك). على الرغم من أن زيادة السُمك تُحسّن بشكل محدود من سعة التوصيل الحراري، إلا أن مسار تبديد الحرارة يكون أقصر عند تركيز توليد الحرارة تحت تيار عالٍ. يجب تعويض خطر ارتفاع درجة الحرارة الموضعي من خلال تصميم هيكلي (مثل إضافة غراء موصل للحرارة).

4.2 إجراء اختبار ثقب الإبرة

يمكن لرقاقة النحاس السميكة (مثل 10 ميكرومتر) أن تؤخر حدوث قصر الدائرة الداخلية في اختبار ثقب الإبرة، نظرًا لتأثيرها الميكانيكي الحاجز. تُظهر بيانات الاختبار أن ذروة درجة حرارة الانفلات الحراري للبطارية ذات الرقاقة النحاسية 10 ميكرومتر تبلغ 210 درجة مئوية عند ثقب الإبرة، بينما تبلغ ذروة درجة حرارة البطارية ذات الرقاقة النحاسية 6 ميكرومتر 240 درجة مئوية، مما يزيد من خطر الانفلات الحراري.

5. التأثير على تكلفة الإنتاج والعملية
5.1 تكلفة المواد

يرتبط سمك رقائق النحاس ارتباطًا وثيقًا بالتكلفة: يبلغ سعر وحدة رقائق النحاس 8 ميكرومتر حوالي 120 يوانًا للكيلوغرام، بينما قد يتجاوز سعر وحدة رقائق النحاس 4 ميكرومتر 200 يوان للكيلوغرام نظرًا لتعقيد عملية الإنتاج. على سبيل المثال، في بطارية طاقة 1 جيجاوات/ساعة، تزيد تكلفة المواد المستخدمة في رقائق النحاس 6 ميكرومتر عن تكلفة رقائق النحاس 10 ميكرومتر بحوالي 800,000 يوان.

5.2 قدرة عملية الإنتاج على التكيف
5.2.1 عملية الدرفلة:

تكون رقائق النحاس الرقيقة (<5 ميكرومتر) عرضة لسمك غير متساوٍ أثناء الدرفلة، مما يتطلب دقة الأسطوانة للوصول إلى ±0.5 ميكرومتر، كما أن استثمار المعدات أعلى بنسبة 50% من استثمار خطوط الإنتاج التقليدية.

5.2.2 عملية الطلاء:

عندما تحمل رقائق النحاس الرقيقة مواد فعالة، تصبح متطلبات التحكم في شد الطلاء أكثر صرامة. تقلبات الشد التي تتجاوز 5 نيوتن ستؤدي إلى تجعد قطعة القطب، وينخفض معدل الخضوع من 95% إلى أقل من 85%.

6. استراتيجية اختيار السُمك لسيناريوهات التطبيق المختلفة

يعد اختيار سمك رقاقة النحاس بمثابة توازن شامل بين كثافة طاقة البطارية والأداء والسلامة والتكلفة: تميل الإلكترونيات الاستهلاكية إلى أن تكون رقيقة للغاية لتحسين قابلية النقل، وتحتاج بطاريات الطاقة إلى تحسين الأداء الشامل في نطاق 6-8 ميكرومتر، ويركز مجال تخزين الطاقة بشكل أكبر على موثوقية الدورة الطويلة لرقاقة النحاس السميكة.

مع تطور تكنولوجيا الطلاء (مثل طلاء الشق عالي الدقة، وعملية الأقطاب الكهربائية الجافة) وتطوير مجمعات التيار المركبة، يتخطى تصميم سمك رقائق النحاس الحدود الموضوعة له تدريجيًا. على سبيل المثال، التحكم في تجانس... آلة طلاء الأقطاب الكهربائية يمكن أن يدعم إنتاج رقائق النحاس فائقة الرقة (≤4 ميكرومتر) بشكل مستقر، كما تُقلل تقنية الطلاء الجاف من استخدام المذيبات، مما يُسهم في خفض التكاليف. ومع ذلك، لا يزال استقرار العملية والتحكم في التكاليف هما مفتاح التصنيع، حيث تُحدد دقة وكفاءة آلة الطلاء بشكل مباشر اتساق وإنتاجية القطب الكهربائي.

العلامات :

ما هو الفرق بين بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات التدفق؟

هل البطاريات ذات الحالة الصلبة قادمة؟