Με την ταχεία ανάπτυξη νέων ενεργειακών ηλεκτρικών οχημάτων και ηλεκτρικών αεροσκαφών, η ζήτηση για εκτεταμένη εμβέλεια οδήγησης και στα δύο βασίζεται όλο και περισσότερο σε ενεργειακές μπαταρίες ιόντων λιθίου-πυκνών{{1} (LIB)

Με την ταχεία ανάπτυξη νέων ενεργειακών ηλεκτρικών οχημάτων και ηλεκτρικών αεροσκαφών, η ζήτηση για εκτεταμένη εμβέλεια οδήγησης και στα δύο βασίζεται ολοένα και περισσότερο σε ενεργειακές μπαταρίες ιόντων λιθίου-πυκνών{{1} (LIB).

Επί του παρόντος, στις παραδοσιακές μπαταρίες υγρών, το αποτελεσματικό μήκος διαδρομής μεταφοράς των ιόντων Li+ μέσα στο πορώδες ηλεκτρόδιο είναι ζωτικής σημασίας. Αυτό το μήκος αυξάνεται με το τοπικό φορτίο, περιορίζοντας άμεσα την απόδοση-της γρήγορης φόρτισης. Διάφορες στρατηγικές έχουν προταθεί στη βιομηχανία, μεταξύ των οποίων η αραίωση ηλεκτροδίων είναι μία από τις κύριες μεθόδους για τη βελτίωση της απόδοσης του ρυθμού, αλλά αυτή η μέθοδος έχει το κόστος της πυκνότητας ενέργειας της μπαταρίας.

Οι μπαταρίες στερεάς-κατάστασης, ως ο απώτερος στόχος των μπαταριών, αντιμετωπίζουν προκλήσεις πέρα ​​από την απόδοση και το κόστος. ένα από τα μεγαλύτερα σημεία συμφόρησης είναι η επίλυση του προβλήματος του σχηματισμού δενδρίτη λιθίου. Το μέταλλο λιθίου είναι το πιο πολλά υποσχόμενο υλικό ανόδου για μπαταρίες, αλλά η ανάπτυξη δενδρίτη, η υψηλή αντιδραστικότητα του λιθίου και η διόγκωση του όγκου θέτουν κινδύνους για την ασφάλεια των μπαταριών μετάλλου λιθίου, εμποδίζοντας την πρακτική εφαρμογή των ανοδίων λιθίου σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.

Και τα δύο αυτά κύρια σημεία πόνου δείχνουν προς το παρόν την ίδια λύση: τον αφρώδες χαλκό. Ο αφρώδες χαλκός, γνωστός και ως 3D χαλκός, είναι ένα νέο υλικό μπαταρίας με πολλές μοναδικές ιδιότητες και πλεονεκτήματα. Ο αφρός χαλκός είναι ένα μεταλλικό υλικό με μεγάλο αριθμό ομοιόμορφα κατανεμημένων διασυνδεδεμένων πόρων, που εμφανίζει καλή αγωγιμότητα και ολκιμότητα. Σε εφαρμογές μπαταριών ιόντων λιθίου{{4}, σε σύγκριση με τους συλλέκτες ρεύματος από φύλλο χαλκού πρώτης-γενιάς και τους συλλέκτες ρεύματος σύνθετου ρεύματος δεύτερης-γενιάς, οι συλλέκτες ρεύματος αφρώδους μετάλλου αντιπροσωπεύουν την τρίτη γενιά. Αυτός ο συλλέκτης ρεύματος τρίτης γενιάς-είναι επίσης ένας βασικός παράγοντας που καθορίζει αν η Κίνα μπορεί να είναι η πρώτη στον κόσμο που θα επιτύχει την εκβιομηχάνιση όλων των-μπαταριών-στερεάς κατάστασης.

Πρώτον, ο αφρώδες χαλκός, ως υλικό μπαταρίας, διαθέτει υψηλή αγωγιμότητα, η οποία βοηθά στη βελτίωση της απόδοσης φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας. Η πορώδης δομή του αυξάνει την περιοχή επαφής μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη, βελτιώνοντας έτσι την ενεργειακή πυκνότητα και τη σταθερότητα του κύκλου της μπαταρίας. Οι παραδοσιακοί συλλέκτες ρεύματος (TCC), όπως τα φύλλα συμπαγούς μετάλλου, συμπεριλαμβανομένων των Cu και Al, δεν έχουν πορώδες και είναι αδιαπέρατοι από τον ηλεκτρολύτη. Επομένως, αυτά τα TCC δεν διευκολύνουν τη μεταφορά Li+ και περιορίζουν τη μεταφορά Li+ μεταξύ των ηλεκτροδίων μόνο στη μία πλευρά, περιορίζοντας την απόδοση γρήγορης-φόρτισης.

Αντίθετα, η πορώδης σχεδίαση του αφρώδους χαλκού επιτρέπει στα ιόντα Li+ να διέρχονται τόσο από τον συλλέκτη ρεύματος όσο και από τον διαχωριστή ταυτόχρονα, μειώνοντας κατά το ήμισυ την αποτελεσματική απόσταση μεταφοράς Li+ και αυξάνοντας την απόδοση-περιορισμένου ρυθμού C{3}} διάχυσης τέσσερις φορές χωρίς να επηρεάζεται η ενεργειακή πυκνότητα. Επί του παρόντος, κορυφαίοι εγχώριοι και διεθνείς κατασκευαστές μπαταριών υψηλής-απόδοσης έχουν πραγματοποιήσει συγκριτικές μελέτες. Σύμφωνα με το πιο πρόσφατο άρθρο του Nature, οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν αυτόν τον συλλέκτη ρεύματος παρουσιάζουν υψηλή ειδική ενέργεια (276 Wh kg-1) και σημαντικές δυνατότητες γρήγορης{{8} φόρτισης, λειτουργώντας σε ρυθμούς 4 C (78,3% C/C), 6 C (70,5% C/C) και 10 C (54,3% C/C). Αυτή η σχεδίαση πορώδους συλλέκτη ρεύματος είναι συμβατή με τις υπάρχουσες διαδικασίες κατασκευής μπαταριών και άλλες στρατηγικές{16}ταχείας φόρτισης, εμπλουτίζοντας τις διαμορφώσεις μπαταριών και παρέχοντας καλύτερες ιδέες για το σχεδιασμό μπαταριών επόμενης-γενιάς.

Δεύτερον, όσον αφορά το μεγαλύτερο πρόβλημα στον-μπαταρίες στερεάς κατάστασης-σχηματισμό δενδρίτη λιθίου-η υψηλή επιφάνεια του αφρού χαλκού επεκτείνει αποτελεσματικά την περιοχή του ηλεκτροδίου, παρέχοντας πιο ενεργές θέσεις για ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Αυτό οδηγεί σε υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος και χωρητικότητα μπαταρίας. Το πιο σημαντικό είναι ότι η μεγαλύτερη περιοχή αντίδρασης σημαίνει μικρότερο μοναδιαίο ρεύμα, το οποίο θα βελτιώσει σημαντικά τον σχηματισμό δενδρίτη λιθίου. Χρησιμοποιείται ήδη ευρέως σε μπαταρίες-συμπυκνωμένης και στερεάς-κατάστασης στα εργαστήρια κορυφαίων κατασκευαστών μπαταριών.

Επιπλέον, ο αφρός χαλκού έχει επίσης καλή μηχανική αντοχή και σταθερότητα, ικανός να αντέξει την καταπόνηση που δημιουργείται κατά την ανακύκλωση της μπαταρίας, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Αυτό είναι επίσης πολύ ελκυστικό για μπαταρίες στερεάς-κατάστασης.

Κάθε μπαταρία GWh απαιτεί 700 τόνους χαλκού για 6 μέτρα φύλλου χαλκού και ο σύνθετος συλλέκτης ρεύματος ζυγίζει περίπου 300 τόνους, απαιτώντας περίπου 250 τόνους χαλκού. Ο αφρός χαλκός απαιτεί μόνο περίπου 100 τόνους. Η σημαντική μείωση στη χρήση χαλκού, δεδομένης της τρέχουσας προσδοκίας για μακροπρόθεσμες-αυξήσεις των τιμών του χαλκού, μπορεί όχι μόνο να εξοικονομήσει πολύ κόστος αλλά και να βελτιώσει σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας.