אם תפרק סוללת ליתיום-, תגלה שהאלקטרודה החיובית משתמשת בנייר אלומיניום, בעוד שהאלקטרודה השלילית משתמשת בנייר נחושת. אנשים רבים סקרנים כשהם לומדים לראשונה את הפרט הזה: מדוע אי אפשר להפוך את התפקידים? למה לא להשתמש בנייר נחושת עבור האלקטרודה החיובית וברדיד אלומיניום עבור השלילי? התשובה ברורה: זה פשוט לא יעבוד. החלפתם תמנע מהסוללה לפעול כראוי ואף עלולה להוביל לבעיות בטיחות. כדי להבין זאת, ראשית עלינו להסתכל על אספנים נוכחיים. מהו אספן זרם? במילים פשוטות, הוא פועל כ"חיווט" הפנימי של הסוללה. מכיוון שחומרי אלקטרודה חיוביים ושליליים הם בצורת אבקה ולא ניתן לחבר אותם ישירות לחוטים חיצוניים, עליהם להיות מצופים על גבי רדיד מתכת; נייר כסף זה אוסף את הזרם ומעביר אותו למעגל החיצוני. נייר הכסף בצד החיובי נקרא קולט הזרם החיובי, וזה בצד השלילי הוא קולט הזרם השלילי. אז למה דווקא להשתמש באלומיניום לצד החיובי ובנחושת לשלילה? זה מסתכם בנקודה מרכזית אחת: פוטנציאל הפעולה של האלקטרודות החיוביות והשליליות שונה מאוד. קולט זרם חייב להישאר יציב בטווח הפוטנציאל הספציפי שלו-הוא אינו יכול להרוס או לעבור תגובות כימיות. מדוע חייבים להשתמש בנייר נחושת עבור האלקטרודה השלילית? כאשר אלקטרודה שלילית גרפיט טעונה במלואה, הפוטנציאל שלה יורד לכדי 0V (ביחס לאלקטרודת ליתיום)-רמה נמוכה ביותר. אלומיניום מתנהג בצורה אסון בפוטנציאל הזה. מחקרים מראים שכאשר הפוטנציאל של האלומיניום יורד מתחת ל-0.284V (ביחס לאלקטרודת ליתיום), יוני ליתיום "מתערבים" לתוך סריג הגביש האלומיניום ויוצרים סגסוגת אלומיניום-ליתיום. תהליך הסגסוג הזה גורם להרחבת נפח מסיבית-נפח האלומיניום מתרחב בכמעט 97%. לאחר מספר מחזורי טעינה- בלבד, רדיד האלומיניום מתפורר ומתפורר, ומאבד לחלוטין את תפקידו כקולט זרם. יתר על כן, תהליך זה צורך כמות גדולה של ליתיום פעיל, מה שגורם לקיבולת הסוללה לצנוח. נחושת, לעומת זאת, הרבה יותר יציבה בפוטנציאל נמוך. הוא אינו יוצר סגסוגות יציבות עם ליתיום; בטווח הפוטנציאל הנמוך- של האלקטרודה השלילית, היא לא עוברת הפחתה ולא קורוזיה, תוך שמירה על שלמות מבנית ומוליכות אמינה. גם אם מתרחשת ציפוי ליתיום באלקטרודה השלילית, קולט זרם הנחושת נשאר ללא נזק. לכן, רק רדיד נחושת מתאים לאלקטרודה השלילית; רדיד אלומיניום לא יעבוד. מדוע חייבים להשתמש בנייר אלומיניום עבור האלקטרודה החיובית? חומרי אלקטרודה חיוביים מיינסטרים פועלים בפוטנציאלים שבין 2.5V ל-4.3V (ביחס לאלקטרודת ליתיום), המהווה טווח פוטנציאל חמצון גבוה. נחושת לא יכולה לעמוד בסביבה הזו. עמידות החמצון שלו מוגבלת; בפוטנציאל גבוה העולה על 4V, הוא מתחמצן ליוני נחושת ומתמוסס לתוך האלקטרוליט. מעבר לקורוזיה ההדרגתית של קולט הזרם עצמו, יוני הנחושת המומסים יכולים לנדוד דרך המפריד ולהתנחל על פני האנודה, ולגרום לקצר מיקרו- פנימי. זה מוביל לירידה מתמשכת בקיבולת ולהסלמה של סיכוני בטיחות. אלומיניום, לעומת זאת, נשאר יציב בפוטנציאל גבוה. הוא יוצר באופן טבעי שכבת פסיבציה של תחמוצת אלומיניום (Al₂O₃) צפופה כאשר הוא נחשף לאוויר. למרות ששכבה זו מבודדת חשמלית, היא בעובי ננומטר בלבד, מה שמאפשר לאלקטרונים לעבור דרך "אפקט המנהור הקוונטי". זה מבטיח שהמוליכות תישאר ללא הפרעה בזמן שהשכבה פועלת כשריון, ומגינה על האלומיניום הבסיסי מפני חמצון נוסף. רדיד אלומיניום נשאר יציב גם בפוטנציאלים של 4.5V ומעלה. כתוצאה מכך, רדיד אלומיניום הוא הבחירה המתאימה היחידה עבור קולט זרם הקתודה; רדיד נחושת לא. מעבר לקריטריון הקריטי של יציבות אלקטרוכימית, מספר גורמים מעשיים משפיעים על הבחירה בין נחושת לרדיד אלומיניום: מוליכות. גם נחושת וגם אלומיניום מציעים מוליכות מצוינת, שנייה רק לכסף וזהב. לאור העלות הגבוהה של כסף וזהב, נחושת ואלומיניום מייצגים את האפשרויות היעילות ביותר-. מִשׁקָל. לאלומיניום יש צפיפות של 2.7 גרם/ס"מ³, ואילו נחושת היא 8.9 גרם\\ס"מ³. שימוש ברדיד אלומיניום עבור הקתודה מפחית משמעותית את משקל הסוללה, ותורם באופן משמעותי לצפיפות אנרגיה גבוהה יותר. עֲלוּת. האלומיניום זול יותר מנחושת, ומציע חיסכון משמעותי בייצור המוני. יכולת עיבוד. לשתי המתכות יש גמישות מצוינת, המאפשרת לגלגל אותן ל-רדידים דקים במיוחד (6-12 מיקרומטר) העומדים בדרישות של תהליכי ייצור המוני- כמו ציפוי וקלנדר. תאימות הדבקה. שכבת התחמוצת על רדיד אלומיניום מתחברת ביעילות עם חומרים וקשרים פעילים לקתודה, בעוד שרדיד נחושת מציע התקשרות מעולה עם גרפיט אנודה וקשרים. האם יש חריגים? יש מקרה מיוחד אחד: האנודה של ליתיום טיטנאט (LTO). פוטנציאל ההפעלה שלו הוא סביב 1.55V, שהוא מעל הסף שבו האלומיניום עובר סגסוגת. תיאורטית, ניתן להשתמש ברדיד אלומיניום כקולט זרם האנודה כדי להפחית עוד יותר עלויות ומשקל; עם זאת, התעשייה מסתמכת כיום בעיקר על פתרון רדיד הנחושת המבוסס לייצור המוני. בנוסף, טכנולוגיית האספן המרוכבת המתפתחת מחייבת תשומת לב; עם מבנה "מצע פולימרי בתוספת ציפוי מתכת", הוא מציע גם תכונות קלות משקל וגם בטיחות משופרת, שכן שכבת המתכת נשברת במהלך בריחת תרמית כדי לקטוע את הזרם. זה מייצג נתיב שדרוג מרכזי עבור סוללות-הדור הבא,-בבטיחות גבוהה. נחזור לשאלה הראשונית: השימוש ברדיד אלומיניום לקתודה ובנייר נחושת לאנודה אינו בחירה שרירותית אלא תוצאה בלתי נמנעת המוכתבת על ידי עקרונות אלקטרוכימיים. האלומיניום מגן על עצמו באמצעות שכבת פסיבציה בתנאי המתח הגבוה- של הקתודה, בעוד הנחושת שומרת על יציבות באמצעות אינרציה כימית בתנאי המתח הנמוכים- של האנודה- האחת מתנגדת לחמצון, השניה מתנגדת לסגסוגת; כל אחד מחזיק מעמד משלו, ואף אחד לא יכול להחליף את השני.
