Výzkum 3D porézní měděné fólie pro lithiové-iontové baterie

Lithium-iontové baterie, známé svou bezpečností, nízkou cenou a vynikajícím výkonem, jsou široce používány v přenosných elektronických zařízeních, velkých-systémech pro ukládání energie, elektrických vozidlech a dalších oblastech, díky čemuž jsou vynikajícími zařízeními pro ukládání sekundární energie.

Typická lithium{0}}iontová baterie se skládá z anody, katody, separátoru, elektrolytu a sběračů proudu. Mezi běžné materiály anody patří LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄ atd., zatímco grafit se primárně používá pro katodu. Pro zlepšení výkonnostních parametrů, jako je hustota energie, je katodový grafit často dopován materiály jako SiOₓ. V této souvislosti se provádí rozsáhlý výzkum materiálů pro lithium-iontové baterie.

Měděná fólie se svou vynikající vodivostí a mechanickými vlastnostmi je v současnosti preferovanou volbou pro sběrač proudu se zápornou elektrodou v lithium-iontových bateriích. V posledních letech mnoho výzkumníků také aktivně hledá nové typy sběračů proudu, které by vyhovovaly vývoji baterií.

Výrobní proces pro bateriovou anodu zahrnuje rovnoměrné nanášení připravené kaše aktivního materiálu záporné elektrody na povrch měděné fólie, následované sušením, válcováním, řezáním a dalšími kroky k vytvoření konečného produktu záporné elektrody.

Proto musí měděná fólie splňovat nejen výkonnostní požadavky na vodivost, drsnost povrchu a lesk, ale také splňovat požadavky na zpracování týkající se mechanických vlastností, jako je pevnost v tahu a tažnost. Navíc při použití materiálů pro záporné elektrody s vysokou-energií-hustoty, jako je křemíkový-uhlík (SiC), lithium (Li), cín (Sn) a antimon (Sb), jsou kladeny další požadavky na měděnou fólii podporující tyto materiály.

V posledních letech se mnoho výzkumníků pokusilo zmírnit a vyřešit problémy, jako jsou objemové změny a tvorba dendritů v SiC, lithiovém kovu a dalších negativních elektrodových materiálech během cyklování z pohledu měděné fólie sběrače proudu záporné elektrody.

Některé studie naznačují, že měděná fólie s porézní strukturou může účinně zvětšit měrný povrch, zlepšit kontaktní plochu mezi sběračem proudu a aktivním materiálem, poskytnout nárazníkový prostor pro expanzi a kontrakci materiálu záporné elektrody, zvýšit adhezi, aby se zabránilo oddělení materiálu záporné elektrody, a tím zlepšit cyklický výkon baterie.

Porézní struktura může také potlačit tvorbu dendritů lithia během nabíjecích/vybíjecích cyklů kovového lithia, což řeší bezpečnostní obavy vyplývající z tvorby dendritů.

Způsob přípravy porézní měděné fólie nejen určuje vlastnosti, jako je vodivost, lehkost a kapacita aktivního materiálu konečného produktu, ale také to, zda je metoda jednoduchá, proveditelná, využívá vyspělé zařízení a je ekonomicky životaschopná pro výrobu, jsou klíčovými faktory pro dosažení hromadné výroby.

Tento článek shrnuje výzkumný stav technik přípravy porézních měděných proudových kolektorů, včetně šablonových metod, deloyingu, slinování prášku, chemických metod a tkaní měděné sítě, spolu s jejich dopadem na výkon baterie. Poskytuje také vyhlídky pro budoucí vývoj 3D porézních měděných kolektorů proudu.

Různé způsoby přípravy mají za následek změny ve formě pórů, velikosti a poréznosti porézní mědi. Současné hlavní metody přípravy zahrnují: použití CO₂ laserů a tištěných šablon k přímému vytvoření mikro-průchozích-děr na měděné fólii; pomocí procesů, jako jsou šablony s vodíkovými bublinami nebo šablony s dextranem, k vytvoření pěny-jako póry; použití delegování a slinování prášku k vytvoření nepravidelných pórů; tkaní měděných drátů k vytvoření síťových pórů; a použitím chemických metod k přípravě pórů vláknitého skeletu na povrchu.

Forma pórů, velikost, pórovitost atd. jsou významně ovlivněny procesem přípravy, což vede ke značným rozdílům ve výkonu.

V lithium{0}}iontových bateriích působí měděná fólie jako nosná struktura a zároveň sběrač proudu pro zápornou elektrodu. Jeho povrchová aktivita, elektrická vodivost, odolnost proti oxidaci a vlastní hmotnost přímo ovlivňují ukazatele baterie, jako je hustota energie a jízdní výkon.

S rostoucími požadavky na lithium-iontové baterie se intenzivně zkoumají nové záporné elektrody, jako je SiC, Sn a Li, které nabízejí teoretické kapacity daleko přesahující grafit. Použití těchto nových negativ však představuje významné výzvy, jako jsou významné změny objemu během nabíjení/vybíjení a náchylnost k tvorbě lithiového dendritu.

3D porézní měděná fólie se stala jedním z přístupů k řešení těchto problémů. Ve srovnání s běžnou plochou elektrolytickou měděnou fólií mnoho studií ukazuje, že 3D porézní měděná fólie může účinně zmírnit problémy s objemovou expanzí/kontrakce materiálů záporných elektrod, a tím zlepšit hustotu energie baterie a rychlostní kapacitu.

Testování elektrického výkonu lithiových kovových baterií zapouzdřených s 3D kostrou měděných sběračů proudu odhalilo, že baterie s běžnou měděnou fólií zaznamenaly zkraty po 400 cyklech.

To bylo způsobeno tvorbou dendritu lithia během cyklování, který prorazil separátor a způsobil zkrat, spolu se silnou hysterezí napětí během cyklování. Naproti tomu lithiové kovové baterie zapouzdřené měděnou fólií 3D lithiové baterie nevykazovaly po 600 cyklech žádný zkrat, což ukazuje na významné potlačení lithiových dendritů během cyklování, zamezuje zkratům baterie a vede k rovnoměrnějším změnám napětí.

Proto mohou 3D skeletové měděné sběrače proudu účinně vyřešit problém lithiového dendritu v lithiových kovových bateriích a poskytují pro tyto baterie záruku bezpečnosti.

3D porézní měděné proudové kolektory mohou účinně řešit některé klíčové problémy vznikající při praktické aplikaci materiálů záporných elektrod na lithium-iontové baterie nové generace, což umožňuje průmyslové použití materiálů jako Li, Sn a SiC. Výzkum 3D porézních měděných proudových kolektorů úzce souvisí s výkonem materiálů záporných elektrod.

Proto je nutné zvolit metody přípravy pro 3D porézní měděné proudové kolektory, které lze snadno industrializovat pro specifické materiály záporných elektrod. Podrobné studie by měly zkoumat vliv podmínek procesu na formu pórů, velikost pórů 3D porézního měděného sběrače proudu a odpovídající metriky výkonu baterie, jako je hustota energie, účinnost cyklů a počet cyklů.

Na základě toho by mělo být vyvinuto kompletní výrobní zařízení pro dosažení industrializace 3D porézních měděných proudových kolektorů. V současné době zůstává většina výzkumu ve fázi základního výzkumu zaměřeného na to, zda jsou připravené 3D porézní měděné proudové kolektory účinné.

Rozsáhlý výzkum dokazuje, že porézní měděné proudové kolektory jsou jedním z důležitých budoucích směrů vývoje proudových kolektorů z měděné fólie.

Významný výzkum metod přípravy 3D porézních měděných proudových kolektorů a nových materiálů pro záporné elektrody nevyhnutelně povede k vývoji lithium-iontových baterií. Proces a způsob přípravy určují specifický povrch, mechanické vlastnosti, adhezi k materiálům záporných elektrod a zápornou vodivost elektrody 3D porézního měděného proudového kolektoru.

Ve stávající literatuře chybí -hloubkový výzkum specifického vlivu 3D porézních měděných kolektorů proudu na výkon lithium-iontových baterií a průzkum industrializace odpovídajících metod přípravy vyžaduje urychlení. Hledání metod s nízkou spotřebou energie, vyspělým vybavením a snadnou škálovatelností pro výrobu porézních měděných fóliových kolektorů proudu s nízkou hmotností, laditelnou velikostí pórů, vysokou vodivostí a dobrými mechanickými vlastnostmi je směr pro vývoj nových materiálů záporných elektrod lithium-iontových baterií, které mají značný význam pro zvýšení výkonu lithium-iontových baterií.

Reference
Čínská národní znalostní infrastruktura (CNKI)