Se smantelli una batteria agli ioni di litio-, scoprirai che l'elettrodo positivo utilizza un foglio di alluminio, mentre l'elettrodo negativo utilizza un foglio di rame. Molte persone sono curiose quando apprendono per la prima volta questo dettaglio: perché i ruoli non possono essere invertiti? Perché non utilizzare un foglio di rame per l'elettrodo positivo e un foglio di alluminio per quello negativo? La risposta è chiara: semplicemente non funzionerà. Scambiarli impedirebbe il corretto funzionamento della batteria e potrebbe persino portare a problemi di sicurezza. Per capirlo, dobbiamo prima guardare ai collezionisti attuali. Cos'è un collezionista attuale? In poche parole, funge da "cablaggio" interno della batteria. Poiché i materiali degli elettrodi positivi e negativi sono sotto forma di polvere e non possono essere collegati direttamente a cavi esterni, devono essere rivestiti su una lamina metallica; questa lamina raccoglie la corrente e la trasmette al circuito esterno. La lamina sul lato positivo è chiamata collettore di corrente positiva, mentre quella sul lato negativo è detta collettore di corrente negativa. Quindi, perché utilizzare specificamente l'alluminio per il lato positivo e il rame per il negativo? Il punto fondamentale è che i potenziali operativi degli elettrodi positivi e negativi differiscono notevolmente. Un collettore di corrente deve rimanere stabile entro il suo intervallo di potenziale specifico-non può corrodersi o subire reazioni chimiche. Perché è necessario utilizzare un foglio di rame per l'elettrodo negativo? Quando un elettrodo negativo in grafite è completamente carico, il suo potenziale scende quasi a 0 V (rispetto a un elettrodo al litio)-un livello estremamente basso. L'alluminio si comporta in modo disastroso con questo potenziale. La ricerca mostra che quando il potenziale dell'alluminio scende al di sotto di 0,284 V (rispetto a un elettrodo di litio), gli ioni di litio si "intercalano" nel reticolo cristallino dell'alluminio, formando una lega di litio-alluminio. Questo processo di lega provoca un'enorme espansione del volume-il volume dell'alluminio si espande di quasi il 97%. Dopo pochi cicli di carica{21}}scarica il foglio di alluminio si polverizza e si sbriciola perdendo completamente la sua funzione di collettore di corrente. Inoltre, questo processo consuma una grande quantità di litio attivo, facendo crollare la capacità della batteria. Il rame, d'altro canto, è molto più stabile a potenziali bassi. Non forma leghe stabili con il litio; nell'intervallo di potenziale basso-dell'elettrodo negativo, non subisce né riduzione né corrosione, mantenendo l'integrità strutturale e una conduttività affidabile. Anche se sull'elettrodo negativo avviene la placcatura al litio, il collettore di corrente in rame rimane intatto. Pertanto, solo la lamina di rame è adatta per l'elettrodo negativo; il foglio di alluminio non funzionerà. Perché è necessario utilizzare un foglio di alluminio per l'elettrodo positivo? I tradizionali materiali per elettrodi positivi funzionano a potenziali compresi tra 2,5 V e 4,3 V (rispetto a un elettrodo al litio), che costituisce un intervallo di potenziale di ossidazione elevato. Il rame non può resistere a questo ambiente. La sua resistenza all'ossidazione è limitata; a potenziali elevati superiori a 4 V, si ossida in ioni rame e si dissolve nell'elettrolita. Oltre alla graduale corrosione del collettore di corrente stesso, gli ioni di rame disciolti possono migrare attraverso il separatore e depositarsi sulla superficie dell'anodo, causando micro-cortocircuiti interni. Ciò porta a un continuo degrado della capacità e a crescenti rischi per la sicurezza. L’alluminio, al contrario, rimane stabile ad alti potenziali. Forma naturalmente uno strato di passivazione denso di ossido di alluminio (Al₂O₃) quando esposto all'aria. Sebbene questo strato sia elettricamente isolante, ha uno spessore di soli nanometri e consente agli elettroni di passare attraverso l'effetto tunnel quantistico. Ciò garantisce che la conduttività rimanga senza ostacoli mentre lo strato agisce come un'armatura, proteggendo l'alluminio sottostante da ulteriore ossidazione. Il foglio di alluminio rimane stabile anche a potenziali di 4,5 V o superiori. Di conseguenza, il foglio di alluminio è l'unica scelta adatta per il collettore di corrente catodica; il foglio di rame no. Oltre al criterio critico della stabilità elettrochimica, diversi fattori pratici influenzano la scelta tra rame e foglio di alluminio: Conduttività. Sia il rame che l'alluminio offrono un'eccellente conduttività, seconda solo all'argento e all'oro. Dato il costo elevato di argento e oro, rame e alluminio rappresentano le opzioni più convenienti-. Peso. L'alluminio ha una densità di 2,7 g/cm³, mentre il rame è di 8,9 g/cm³. L'utilizzo di un foglio di alluminio per il catodo riduce significativamente il peso della batteria, contribuendo sostanzialmente ad una maggiore densità di energia. Costo. L’alluminio è più economico del rame e offre notevoli risparmi nella produzione di massa. Lavorabilità. Entrambi i metalli possiedono un'eccellente duttilità, che consente loro di essere laminati in fogli ultrasottili (6-12 micrometri) che soddisfano i requisiti dei processi di produzione di massa-come rivestimento e calandratura. Compatibilità di adesione. Lo strato di ossido sul foglio di alluminio si lega efficacemente ai materiali e ai leganti catodici attivi, mentre il foglio di rame offre un legame superiore con la grafite anodica e i leganti. Ci sono eccezioni? C'è un caso speciale: l'anodo di titanato di litio (LTO). Il suo potenziale operativo è di circa 1,55 V, ovvero al di sopra della soglia in cui l'alluminio subisce la lega. Teoricamente, il foglio di alluminio potrebbe essere utilizzato come collettore di corrente anodica per ridurre ulteriormente costi e peso; tuttavia, l’industria attualmente si affida principalmente alla soluzione consolidata del foglio di rame per la produzione di massa. Inoltre, la tecnologia emergente dei collettori di corrente compositi merita attenzione; caratterizzato da una struttura "substrato polimerico più rivestimento metallico", offre sia proprietà leggere che maggiore sicurezza, poiché lo strato metallico si frattura durante la fuga termica per interrompere la corrente. Ciò rappresenta un percorso di aggiornamento fondamentale per le batterie di prossima-generazione ad alta-sicurezza. Ritornando alla domanda iniziale: l'utilizzo di un foglio di alluminio per il catodo e di un foglio di rame per l'anodo non è una scelta arbitraria ma un risultato inevitabile dettato da principi elettrochimici. L'alluminio si protegge tramite uno strato di passivazione nelle condizioni di alta-tensione del catodo, mentre il rame mantiene la stabilità attraverso l'inerzia chimica nelle condizioni di bassa-tensione dell'anodo-uno resiste all'ossidazione, l'altro resiste alla lega; ciascuno mantiene la propria posizione e nessuno dei due può sostituire l’altro.
