リチウム-イオン電池を分解すると、正極にはアルミニウム箔が使用され、負極には銅箔が使用されていることがわかります。この詳細を初めて知ったとき、多くの人は「なぜ役割を逆転できないのか?」と興味を持ちます。プラス極に銅箔、マイナス極にアルミ箔を使ってみてはいかがでしょうか？答えは明らかです。単に機能しないからです。交換するとバッテリーが正常に機能しなくなり、安全上の問題につながる可能性もあります。これを理解するには、まず集電体に注目する必要があります。集電装置とは何ですか?簡単に言えば、バッテリーの内部「配線」として機能します。正極材料と負極材料は粉末状であり、外部配線に直接接続できないため、金属箔上にコーティングする必要があります。このフォイルは電流を収集し、外部回路に送信します。正側の箔は正の集電体と呼ばれ、負側の箔は負の集電体と呼ばれます。では、なぜ特にプラス側にアルミニウムを使用し、マイナス側に銅を使用するのでしょうか?それは、正極と負極の動作電位が大きく異なるという 1 つの重要な点に帰着します。集電体は、特定の電位範囲内で安定した状態を維持する必要があります。-腐食したり化学反応を受けたりすることができません。なぜ銅箔を負極に使用しなければならないのですか？グラファイト負極が完全に充電されると、その電位は (リチウム電極と比較して) 0V 近くまで低下します-。これは非常に低いレベルです。アルミニウムはこの電位では悲惨な挙動をします。研究によると、アルミニウムの電位が（リチウム電極に対して）0.284Vを下回ると、リチウムイオンがアルミニウムの結晶格子に「挿入」され、リチウム-アルミニウム合金が形成されることがわかっています。この合金化プロセスにより、体積が大幅に膨張します-アルミニウムの体積は 97% 近く膨張します。ほんの数回の充電-サイクルの後、アルミニウム箔は粉砕して崩れ、集電装置としての機能を完全に失います。さらに、このプロセスでは大量の活性リチウムが消費され、バッテリーの容量が急激に低下します。一方、銅は、低電位でははるかに安定です。リチウムとは安定した合金を形成しません。負極の低電位範囲内では、還元も腐食も起こらず、構造の完全性と信頼性の高い導電性が維持されます。たとえ負極でリチウムメッキが発生しても、銅集電体は損傷を受けません。したがって、負極には銅箔のみが適しています。アルミホイルでは効果がありません。なぜ正極にアルミ箔を使用しなければならないのですか？主流の正極材料は、(リチウム電極に対して) 2.5 V ～ 4.3 V の電位で動作し、これは高い酸化電位範囲を構成します。銅はこの環境に耐えられません。耐酸化性には限界があります。 4Vを超える高電位では銅イオンに酸化され、電解液に溶解します。集電体自体が徐々に腐食するだけでなく、溶解した銅イオンがセパレータを通って移動してアノード表面に堆積し、内部微小短絡を引き起こす可能性があります。-。これにより、容量が継続的に低下し、安全性リスクが増大します。逆に、アルミニウムは高電位でも安定しています。空気にさらされると、緻密な酸化アルミニウム (Al2O3) 不動態化層が自然に形成されます。この層は電気的に絶縁されていますが、厚さはわずかナノメートルなので、「量子トンネル効果」によって電子が通過できます。これにより、層が鎧として機能し、下にあるアルミニウムをさらなる酸化から保護しながら、導電性が妨げられないことが保証されます。アルミ箔は4.5V以上の電位でも安定です。したがって、カソード集電体として適切な選択肢はアルミニウム箔のみです。銅箔はそうではありません。電気化学的安定性という重要な基準を超えて、いくつかの実際的な要因が銅箔とアルミニウム箔の選択に影響を与えます。それは、導電性です。銅とアルミニウムはいずれも、銀と金に次ぐ優れた導電性を備えています。銀と金のコストが高いことを考えると、銅とアルミニウムが最もコスト効率の高い選択肢となります。-重さ。アルミニウムの密度は 2.7 g/cm3 ですが、銅の密度は 8.9 g/cm3 です。カソードにアルミニウム箔を使用すると、バッテリーの重量が大幅に軽減され、エネルギー密度の向上に大きく貢献します。料金。アルミニウムは銅よりも安価であるため、大量生産において大幅な節約が可能です。加工性。どちらの金属も優れた延性を備えているため、コーティングやカレンダー加工などの大量生産プロセスの要件を満たす極薄箔 (6～12 マイクロメートル) に圧延することができます。-接着互換性。アルミニウム箔上の酸化物層はカソード活物質およびバインダーと効果的に結合し、銅箔はアノードのグラファイトおよびバインダーと優れた結合を提供します。例外はありますか?特殊なケースが 1 つあります。それは、チタン酸リチウム (LTO) 陽極です。その動作電位は約 1.55V で、アルミニウムが合金化されるしきい値を超えています。理論的には、コストと重量をさらに削減するために、アルミニウム箔をアノード集電体として使用することができます。しかし、業界は現在、大量生産のために確立された銅箔ソリューションに主に依存しています。さらに、新たな複合集電技術にも注目が必要です。 「ポリマー基板＋金属コーティング」構造により、軽量化と熱暴走時に金属層が破壊して電流を遮断する安全性を両立させています。これは、次世代{69}}安全性の高い-バッテリーの重要なアップグレード パスを表します。最初の質問に戻ります。カソードにアルミニウム箔を使用し、アノードに銅箔を使用するのは任意の選択ではなく、電気化学原理によって決定される必然的な結果です。アルミニウムは、陰極の高電圧条件下では不動態化層によって自身を保護します。一方、銅は、陽極の低電圧条件下では化学的不活性によって安定性を維持します。-一方は酸化に抵抗し、他方は合金化に抵抗します。それぞれが独自の立場を保持しており、どちらも他方に取って代わることはできません。
