S rychlým vývojem nových energetických elektrických vozidel a elektrických letadel poptávka po prodlouženém dojezdu v obou stále více závisí na energeticky -lithium{1}}iontových bateriích (LIB)

S rychlým vývojem nových energetických elektrických vozidel a elektrických letadel se poptávka po prodlouženém dojezdu v obou stále více spoléhá na energeticky -lithium{1}}itonové baterie s vysokou hustotou (LIB).

V současné době je u tradičních kapalných baterií rozhodující efektivní délka transportní cesty Li+ iontů v porézní elektrodě. Tato délka se zvyšuje s plošným zatížením, což přímo omezuje výkon-rychlého nabíjení. V průmyslu byly navrženy různé strategie, mezi nimiž je ztenčování elektrod jednou z hlavních metod pro zlepšení rychlosti, ale tato metoda přichází na úkor hustoty energie baterie.

Pevné-baterie jako hlavní cíl baterií čelí výzvám, které přesahují výnos a cenu; jedním z největších úzkých míst je řešení problému tvorby lithiového dendritu. Lithium metal je nejslibnějším anodovým materiálem pro baterie, ale růst dendritů, vysoká reaktivita lithia a objemová expanze představují bezpečnostní rizika pro lithiové kovové baterie, což brání praktickému použití lithiových kovových anod v dobíjecích bateriích.

Oba tyto hlavní bolestivé body v současné době ukazují na stejné řešení: pěnovou měď. Pěnová měď, známá také jako 3D měď, je nový bateriový materiál s mnoha jedinečnými vlastnostmi a výhodami. Pěnová měď je kovový materiál s velkým počtem rovnoměrně rozmístěných propojených pórů, vykazující dobrou vodivost a tažnost. V aplikacích lithium-iontových baterií, ve srovnání s první-generací měděných fóliových kolektorů proudu a druhé-generace kompozitních kolektorů proudu, představují sběrače proudu z pěnového kovu třetí generaci. Tato třetí-generace sběračů proudu je také klíčovým faktorem určujícím, zda Čína může být první na světě, která dosáhne industrializace všech-pevných{10}}baterií.

Za prvé, pěnová měď jako materiál baterie má vysokou vodivost, která pomáhá zlepšit účinnost nabíjení a vybíjení baterie. Jeho porézní struktura zvětšuje kontaktní plochu mezi elektrodou a elektrolytem, ​​čímž zlepšuje hustotu energie baterie a stabilitu cyklu. Tradiční kolektory proudu (TCC), jako jsou pevné kovové fólie včetně Cu a Al, postrádají poréznost a jsou nepropustné pro elektrolyt. Proto tyto TCC neusnadňují transport Li+ a omezují transport Li+ mezi elektrodami pouze na jednu stranu, což omezuje výkon rychlého nabíjení-.

Naproti tomu porézní konstrukce pěnové mědi umožňuje iontům Li+ procházet proudovým kolektorem i separátorem současně, čímž se zkrátí na polovinu efektivní transportní vzdálenost Li+ a čtyřnásobně se zvýší difúzní -omezený výkon C-, aniž by to ovlivnilo hustotu energie. V současné době přední domácí a mezinárodní výrobci vysoce účinných baterií{5}}provedli srovnávací studie. Podle nejnovějšího článku Nature vykazují baterie využívající tento sběrač proudu vysokou měrnou energii (276 Wh kg⁻¹) a významné rychlé-nabíjení při rychlostech 4 C (78,3 % C/C), 6 C (70,5 % C/C) a 10 C (54,3 % C/C). Tato konstrukce porézního sběrače proudu je kompatibilní se stávajícími výrobními procesy baterií a dalšími strategiemi rychlého nabíjení{16}}, obohacuje konfigurace baterií a poskytuje lepší nápady pro navrhování baterií nové{17}}generace.

Za druhé, pokud jde o největší problém v oblasti pevných -baterií-tvorby lithiového dendritu-, velká povrchová plocha měděné pěny účinně rozšiřuje oblast elektrod a poskytuje tak aktivnější místa pro elektrochemické reakce. To vede k vyšší proudové hustotě a kapacitě baterie. Ještě důležitější je, že větší reakční plocha znamená menší jednotkový proud, což výrazně zlepší tvorbu lithiového dendritu. V laboratořích předních výrobců baterií je již široce používán v kondenzovaných-a polovodičových-bateriích.

Kromě toho má měděná pěna také dobrou mechanickou pevnost a stabilitu, je schopna odolat namáhání generovanému během cyklování baterie a prodlužuje životnost baterie. To je také velmi atraktivní pro pevné-baterie.

Každá GWh baterie vyžaduje 700 tun mědi na 6 m měděné fólie a kompozitní sběrač proudu váží asi 300 tun, což vyžaduje asi 250 tun mědi. Pěnová měď vyžaduje pouze asi 100 tun. Výrazné snížení spotřeby mědi, vzhledem k současnému očekávání dlouhodobého-zvýšení cen mědi, může nejen ušetřit spoustu nákladů, ale také výrazně zlepšit hustotu energie baterie.