Hvis du demonterer et litium-ionbatteri, vil du oppdage at den positive elektroden bruker aluminiumsfolie, mens den negative elektroden bruker kobberfolie. Mange mennesker er nysgjerrige når de først lærer denne detaljen: hvorfor kan ikke rollene snus? Hvorfor ikke bruke kobberfolie for den positive elektroden og aluminiumsfolie for den negative? Svaret er klart: det vil rett og slett ikke fungere. Å bytte dem vil forhindre at batteriet fungerer som det skal og kan til og med føre til sikkerhetsproblemer. For å forstå dette må vi først se på nåværende samlere. Hva er en strømsamler? Enkelt sagt fungerer den som den interne "kablingen" til batteriet. Siden positive og negative elektrodematerialer er i pulverform og ikke kan kobles direkte til eksterne ledninger, må de belegges på en metallfolie; denne folien samler strømmen og overfører den til den eksterne kretsen. Folien på den positive siden kalles den positive strømsamleren, og den på den negative siden er den negative strømsamleren. Så hvorfor spesifikt bruke aluminium for den positive siden og kobber for den negative? Det kommer ned til ett nøkkelpunkt: driftspotensialene til de positive og negative elektrodene er svært forskjellige. En strømkollektor må forbli stabil innenfor sitt spesifikke potensielle område-den kan ikke korrodere eller gjennomgå kjemiske reaksjoner. Hvorfor må det brukes kobberfolie til den negative elektroden? Når en negativ grafittelektrode er fulladet, synker potensialet til nær 0V (i forhold til en litiumelektrode)-et ekstremt lavt nivå. Aluminium oppfører seg katastrofalt ved dette potensialet. Forskning viser at når potensialet til aluminium faller under 0,284V (i forhold til en litiumelektrode), "interkalerer" litiumioner inn i aluminiumskrystallgitteret og danner en litium-aluminiumslegering. Denne legeringsprosessen fører til massiv volumekspansjon-aluminiums volum utvides med nesten 97 %. Etter bare noen få lade-utladingssykluser, pulveriseres og smuldres aluminiumsfolien, og mister fullstendig funksjonen som strømoppsamler. Videre bruker denne prosessen en stor mengde aktivt litium, noe som får batteriets kapasitet til å stupe. Kobber er derimot mye mer stabilt ved lave potensialer. Det danner ikke stabile legeringer med litium; innenfor det lave-potensialområdet til den negative elektroden, gjennomgår den verken reduksjon eller korrosjon, og opprettholder strukturell integritet og pålitelig ledningsevne. Selv om litiumplettering skjer ved den negative elektroden, forblir kobberstrømkollektoren uskadet. Derfor er kun kobberfolie egnet for den negative elektroden; aluminiumsfolie vil ikke fungere. Hvorfor må aluminiumsfolie brukes til den positive elektroden? Vanlige positive elektrodematerialer opererer ved potensialer mellom 2,5V og 4,3V (i forhold til en litiumelektrode), som utgjør et høyt oksidasjonspotensialområde. Kobber tåler ikke dette miljøet. Dens oksidasjonsmotstand er begrenset; ved høye potensialer som overstiger 4V, oksideres det til kobberioner og løses opp i elektrolytten. Utover den gradvise korrosjonen av selve strømkollektoren, kan de oppløste kobberionene migrere gjennom separatoren og avsettes på anodeoverflaten, og forårsake interne mikro-kortslutninger. Dette fører til kontinuerlig kapasitetsforringelse og økende sikkerhetsrisiko. Aluminium forblir derimot stabilt ved høye potensialer. Det danner naturlig et tett passiveringslag av aluminiumoksid (Al₂O₃) når det utsettes for luft. Selv om dette laget er elektrisk isolerende, er det bare nanometer tykt, slik at elektroner kan passere gjennom "kvantetunneleffekten." Dette sikrer at ledningsevnen forblir uhindret mens laget fungerer som rustning, og beskytter det underliggende aluminiumet mot ytterligere oksidasjon. Aluminiumsfolie forblir stabil selv ved potensialer på 4,5V eller høyere. Følgelig er aluminiumsfolie det eneste passende valget for katodestrømsamleren; kobberfolie er det ikke. Utover det kritiske kriteriet om elektrokjemisk stabilitet, er det flere praktiske faktorer som påvirker valget mellom kobber- og aluminiumsfolie: Konduktivitet. Både kobber og aluminium gir utmerket ledningsevne, nest etter sølv og gull. Gitt de høye prisene på sølv og gull representerer kobber og aluminium de mest kostnadseffektive alternativene. Vekt. Aluminium har en tetthet på 2,7 g/cm³, mens kobber er 8,9 g/cm³. Bruk av aluminiumsfolie til katoden reduserer batterivekten betydelig, noe som bidrar vesentlig til høyere energitetthet. Koste. Aluminium er billigere enn kobber, og gir betydelige besparelser i masseproduksjon. Bearbeidbarhet. Begge metallene har utmerket duktilitet, slik at de kan rulles til ultra-tynne folier (6–12 mikrometer) som oppfyller kravene til masseproduksjonsprosesser som belegg og kalandrering. Adhesjonskompatibilitet. Oksydlaget på aluminiumsfolie bindes effektivt med katodeaktive materialer og bindemidler, mens kobberfolie gir overlegen binding med anodegrafitt og bindemidler. Finnes det unntak? Det er ett spesielt tilfelle: litiumtitanat (LTO) anoden. Driftspotensialet er rundt 1,55V, som er over terskelen der aluminium gjennomgår legering. Teoretisk sett kan aluminiumsfolie brukes som anodestrømsamler for ytterligere å redusere kostnader og vekt; Imidlertid er industrien i dag hovedsakelig avhengig av den etablerte kobberfolieløsningen for masseproduksjon. I tillegg garanterer den nye komposittstrømsamlerteknologien oppmerksomhet; Med en "polymersubstrat pluss metallbelegg"-struktur, tilbyr den både lette egenskaper og forbedret sikkerhet, ettersom metalllaget sprekker under termisk løping for å avbryte strømmen. Dette representerer en viktig oppgraderingsvei for neste-generasjons høy-sikkerhetsbatterier. Tilbake til det innledende spørsmålet: bruken av aluminiumsfolie for katoden og kobberfolie for anoden er ikke et vilkårlig valg, men et uunngåelig resultat diktert av elektrokjemiske prinsipper. Aluminium beskytter seg selv via et passiveringslag under de høye-spenningsforholdene til katoden, mens kobber opprettholder stabiliteten gjennom kjemisk inerthet under de lave-spenningsforholdene til anoden-den ene motstår oksidasjon, den andre motstår legering; hver holder sin egen grunn, og ingen av dem kan erstatte den andre.
