Die Hauptgründe für die Verwendung von Aluminiumgehäusen bei Lithiumbatterien können anhand der folgenden Aspekte im Detail analysiert werden: geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, gute Leitfähigkeit, gute Verarbeitungsleistung, niedrige Kosten, gute Wärmeableitungsleistung usw.
1. Leichtgewicht
• Geringe Dichte: Die Dichte von Aluminium beträgt etwa 2,7 g/cm³ und ist damit deutlich niedriger als die von Stahl, die etwa 7,8 g/cm³ beträgt. Bei elektronischen Geräten, die eine hohe Energiedichte und ein geringes Gewicht erfordern, wie z. B. Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen, können Aluminiumgehäuse das Gesamtgewicht effektiv reduzieren und die Haltbarkeit verbessern.
2. Korrosionsbeständigkeit
Anpassungsfähigkeit an Hochspannungsumgebungen: Die Betriebsspannung von positiven Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien, wie z. B. ternären Materialien und Lithiumkobaltoxid, ist relativ hoch (3,0–4,5 V). Bei diesem Potenzial bildet Aluminium auf der Oberfläche einen dichten Passivierungsfilm aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), der weitere Korrosion verhindert. Stahl korrodiert leicht durch Elektrolyt unter hohem Druck, was zu Leistungseinbußen oder Auslaufen der Batterie führen kann.
• Elektrolytverträglichkeit: Aluminium weist eine gute chemische Stabilität gegenüber organischen Elektrolyten wie LiPF₆ auf und neigt bei langfristiger Verwendung nicht zu Reaktionen.
3. Leitfähigkeit und strukturelles Design
• Stromkollektoranschluss: Aluminium ist das bevorzugte Material für Stromkollektoren der positiven Elektrode (z. B. Aluminiumfolie). Die Aluminiumhülle kann direkt mit der positiven Elektrode verbunden werden, was die innere Struktur vereinfacht, den Widerstand verringert und die Effizienz der Energieübertragung verbessert.
• Anforderungen an die Leitfähigkeit des Gehäuses: Bei einigen Batteriedesigns ist das Aluminiumgehäuse Teil des Strompfads, beispielsweise bei zylindrischen Batterien, die sowohl Leitfähigkeits- als auch Schutzfunktionen haben.
4. Verarbeitungsleistung
• Hervorragende Duktilität: Aluminium lässt sich leicht stanzen und strecken und eignet sich für die Massenproduktion komplexer Formen, wie beispielsweise Aluminium-Kunststoff-Folien für quadratische und Softpack-Batterien. Stahlgehäuse sind schwierig zu verarbeiten und verursachen hohe Kosten.
• Versiegelungsgarantie: Die Schweißtechnologie für Aluminiumgehäuse ist ausgereift, beispielsweise durch Laserschweißen, wodurch der Elektrolyt wirksam versiegelt, das Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff verhindert und die Batterielebensdauer verlängert werden kann.
5. Wärmemanagement
• Hohe Wärmeableitungseffizienz: Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium (ca. 237 W/m·K) ist viel höher als die von Stahl (ca. 50 W/m·K), was der Batterie hilft, während des Betriebs Wärme schnell abzuleiten und das Risiko eines thermischen Durchgehens zu verringern.
6. Kosten und Wirtschaftlichkeit
• Niedrige Material- und Verarbeitungskosten: Der Rohstoffpreis von Aluminium ist moderat und der Energieverbrauch bei der Verarbeitung gering, was es für die Produktion in großem Maßstab geeignet macht. Im Gegensatz dazu sind Materialien wie Edelstahl teurer.
7. Sicherheitsdesign
• Druckentlastungsmechanismus: Aluminiumgehäuse können den Innendruck ablassen und im Falle einer Überladung oder eines thermischen Durchgehens eine Explosion verhindern, indem Sicherheitsventile wie die CID-Flip-Struktur zylindrischer Batterien konstruiert werden.
8. Branchenpraktiken und Standardisierung
• Aluminiumgehäuse sind seit den Anfängen der Kommerzialisierung von Lithiumbatterien weit verbreitet, wie beispielsweise bei der 1991 von Sony auf den Markt gebrachten 18650-Batterie. Dadurch bildeten sich eine ausgereifte Industriekette und technische Standards, wodurch ihre Mainstream-Position weiter gefestigt wurde.
Es gibt immer Ausnahmen. In einigen speziellen Szenarien werden auch Stahlgranaten verwendet:
In manchen Szenarien mit extrem hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit, wie etwa bei einigen Leistungsbatterien oder Anwendungen in extremen Umgebungen, können vernickelte Stahlgehäuse verwendet werden, dies geht jedoch zu Lasten von Gewicht und Kosten.
Abschluss
Aluminiumgehäuse haben sich aufgrund ihrer umfassenden Vorteile wie geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, gute Leitfähigkeit, einfache Verarbeitung, hervorragende Wärmeableitung und niedrige Kosten zur idealen Wahl für Lithiumbatteriegehäuse entwickelt und bieten so ein perfektes Gleichgewicht zwischen Leistung, Sicherheit und wirtschaftlichen Anforderungen.
Veröffentlichungszeit: 17. Februar 2025
