Έρευνα για τρισδιάστατο πορώδες φύλλο χαλκού για μπαταρίες ιόντων λιθίου-

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-, γνωστές για την ασφάλεια, το χαμηλό κόστος και την εξαιρετική τους απόδοση, χρησιμοποιούνται ευρέως σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης{{1} κλίμακας, ηλεκτρικά οχήματα και άλλα πεδία, γεγονός που τις καθιστά εξαιρετικές συσκευές δευτερογενούς αποθήκευσης ενέργειας.

Μια τυπική μπαταρία ιόντων-λιθίου αποτελείται από μια άνοδο, μια κάθοδο, έναν διαχωριστή, έναν ηλεκτρολύτη και συλλέκτες ρεύματος. Τα κοινά υλικά ανόδου περιλαμβάνουν τα LiNiMnCoO2, LiFePO4, LiCoO2, LiMn2O4, κ.λπ., ενώ ο γραφίτης χρησιμοποιείται κυρίως για την κάθοδο. Για να βελτιωθούν οι παράμετροι απόδοσης, όπως η ενεργειακή πυκνότητα, ο καθοδικός γραφίτης συχνά εμποτίζεται με υλικά όπως το SiOₓ. Σε αυτό το πλαίσιο διεξάγεται εκτεταμένη έρευνα για υλικά για μπαταρίες ιόντων λιθίου-.

Το φύλλο χαλκού, με την εξαιρετική αγωγιμότητα και τις μηχανικές του ιδιότητες, είναι επί του παρόντος η προτιμώμενη επιλογή για τον συλλέκτη ρεύματος αρνητικού ηλεκτροδίου στις μπαταρίες ιόντων λιθίου-. Τα τελευταία χρόνια, πολλοί ερευνητές αναζητούν επίσης ενεργά νέους τύπους σημερινών συλλεκτών για την ανάπτυξη μπαταριών.

Η διαδικασία παραγωγής για την άνοδο της μπαταρίας περιλαμβάνει την ομοιόμορφη επίστρωση ενός προετοιμασμένου πολτού ενεργού υλικού αρνητικού ηλεκτροδίου πάνω στην επιφάνεια του φύλλου χαλκού, που ακολουθείται από ξήρανση, έλαση, σχίσιμο και άλλα βήματα για να σχηματιστεί το τελικό προϊόν αρνητικού ηλεκτροδίου.

Επομένως, το φύλλο χαλκού δεν πρέπει μόνο να πληροί τις απαιτήσεις απόδοσης για αγωγιμότητα, τραχύτητα επιφάνειας και στιλπνότητα, αλλά και να ικανοποιεί τις απαιτήσεις επεξεργασίας όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες όπως η αντοχή σε εφελκυσμό και η επιμήκυνση. Επιπλέον, με την εφαρμογή υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων υψηλής-ενέργειας-πυκνότητας όπως πυρίτιο-άνθρακας (SiC), λίθιο (Li), κασσίτερος (Sn) και αντιμόνιο (Sb), επιβάλλονται πρόσθετες απαιτήσεις στο φύλλο χαλκού που υποστηρίζει αυτά τα υλικά.

Τα τελευταία χρόνια, πολλοί ερευνητές προσπάθησαν να μετριάσουν και να λύσουν ζητήματα όπως οι αλλαγές όγκου και ο σχηματισμός δενδρίτη σε SiC, μέταλλο λιθίου και άλλα υλικά αρνητικών ηλεκτροδίων κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης από την οπτική γωνία του φύλλου χαλκού συλλέκτη ρεύματος αρνητικού ηλεκτροδίου.

Ορισμένες μελέτες δείχνουν ότι το φύλλο χαλκού πορώδους δομής μπορεί να αυξήσει αποτελεσματικά τη συγκεκριμένη επιφάνεια, να ενισχύσει την περιοχή επαφής μεταξύ του συλλέκτη ρεύματος και του ενεργού υλικού, να παρέχει χώρο αποθήκευσης για τη διαστολή και τη συστολή του υλικού του αρνητικού ηλεκτροδίου, να αυξήσει την πρόσφυση για να αποτρέψει την αποκόλληση του υλικού του αρνητικού ηλεκτροδίου και έτσι να βελτιώσει την απόδοση του κύκλου της μπαταρίας.

Η πορώδης δομή μπορεί επίσης να καταστείλει τον σχηματισμό δενδριτών λιθίου κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης του μετάλλου λιθίου, αντιμετωπίζοντας ανησυχίες για την ασφάλεια που προκύπτουν από το σχηματισμό δενδρίτη.

Η μέθοδος παρασκευής πορώδους φύλλου χαλκού όχι μόνο καθορίζει ιδιότητες όπως η αγωγιμότητα, η ελαφριά φύση και η ικανότητα φόρτωσης ενεργού υλικού του τελικού προϊόντος, αλλά και αν η μέθοδος είναι απλή, εφικτή, χρησιμοποιεί ώριμο εξοπλισμό και είναι οικονομικά βιώσιμη για παραγωγή είναι βασικοί παράγοντες για την επίτευξη μαζικής παραγωγής.

Αυτό το έγγραφο συνοψίζει την κατάσταση της έρευνας των τεχνικών προετοιμασίας για συλλέκτες ρεύματος από πορώδη χαλκό, συμπεριλαμβανομένων των μεθόδων προτύπων, της αποκραματοποίησης, της πυροσυσσωμάτωσης σε σκόνη, των χημικών μεθόδων και της πλέξης με πλέγμα χαλκού, μαζί με τον αντίκτυπό τους στην απόδοση της μπαταρίας. Παρέχει επίσης προοπτικές για τη μελλοντική ανάπτυξη τρισδιάστατων πορωδών συλλεκτών ρεύματος χαλκού.

Διαφορετικές μέθοδοι παρασκευής έχουν ως αποτέλεσμα διακυμάνσεις στη μορφή πόρων, το μέγεθος και το πορώδες του πορώδους χαλκού. Οι τρέχουσες κύριες μέθοδοι προετοιμασίας περιλαμβάνουν: τη χρήση λέιζερ CO₂ και τυπωμένων προτύπων για την απευθείας δημιουργία μικρο-διαμέσου-οπών σε φύλλο χαλκού. χρησιμοποιώντας διεργασίες όπως πρότυπα φυσαλίδων υδρογόνου ή πρότυπα δεξτράνης για το σχηματισμό αφρού-όπως πόρων. Χρησιμοποιώντας αποκραματοποίηση και πυροσυσσωμάτωση σε σκόνη για τη δημιουργία ακανόνιστων πόρων. ύφανση χάλκινων συρμάτων για σχηματισμό πόρων πλέγματος. και χρησιμοποιώντας χημικές μεθόδους για την προετοιμασία πόρων ινώδους σκελετού στην επιφάνεια.

Η μορφή των πόρων, το μέγεθος, το πορώδες κ.λπ. επηρεάζονται σημαντικά από τη διαδικασία προετοιμασίας, οδηγώντας σε σημαντικές διαφορές απόδοσης.

Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου-το φύλλο χαλκού λειτουργεί τόσο ως δομή στήριξης όσο και ως συλλέκτης ρεύματος για το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Η επιφανειακή του δραστηριότητα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η αντίσταση στην οξείδωση και το ίδιο του το βάρος επηρεάζουν άμεσα τους δείκτες της μπαταρίας, όπως η ενεργειακή πυκνότητα και η απόδοση του κύκλου.

Με τις αυξανόμενες απαιτήσεις σε μπαταρίες ιόντων λιθίου-, νέα αρνητικά ηλεκτρόδια όπως το SiC, το Sn και το μέταλλο Li βρίσκονται υπό διεξοδική έρευνα, προσφέροντας θεωρητικές ικανότητες που υπερβαίνουν κατά πολύ τον γραφίτη. Ωστόσο, η χρήση αυτών των νέων αρνητικών παρουσιάζει εξέχουσες προκλήσεις, όπως σημαντικές αλλαγές όγκου κατά τη φόρτιση/εκφόρτιση και την ευαισθησία στο σχηματισμό δενδρίτη λιθίου.

Το τρισδιάστατο πορώδες φύλλο χαλκού έχει γίνει μία από τις προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων. Σε σύγκριση με το συνηθισμένο επίπεδο ηλεκτρολυτικό φύλλο χαλκού, πολλές μελέτες δείχνουν ότι το τρισδιάστατο πορώδες φύλλο χαλκού μπορεί να μετριάσει αποτελεσματικά τα προβλήματα διαστολής/συστολής όγκου υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων, βελτιώνοντας έτσι την πυκνότητα ενέργειας της μπαταρίας και την ικανότητα ταχύτητας.

Η δοκιμή της ηλεκτρικής απόδοσης των μπαταριών μετάλλου λιθίου που είναι ενθυλακωμένες με τρισδιάστατους συλλέκτες ρεύματος χαλκού σκελετού αποκάλυψε ότι οι μπαταρίες με συνηθισμένο φύλλο χαλκού παρουσίασαν βραχυκυκλώματα μετά από 400 κύκλους.

Αυτό οφειλόταν στον σχηματισμό δενδρίτη λιθίου κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας, ο οποίος τρύπησε τον διαχωριστή, προκαλώντας το βραχυκύκλωμα, μαζί με σοβαρή υστέρηση τάσης κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Αντίθετα, οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου που είναι ενθυλακωμένες με 3D φύλλο χαλκού μπαταριών λιθίου δεν παρουσίασαν βραχυκύκλωμα μετά από 600 κύκλους, υποδηλώνοντας σημαντική καταστολή των δενδριτών λιθίου κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας, αποφεύγοντας βραχυκυκλώματα μπαταρίας και με αποτέλεσμα πιο ομοιόμορφες αλλαγές τάσης.

Επομένως, οι συλλέκτες ρεύματος χαλκού 3D σκελετού μπορούν να λύσουν αποτελεσματικά το πρόβλημα του δενδρίτη λιθίου στις μπαταρίες μετάλλου λιθίου, παρέχοντας εγγύηση ασφάλειας για αυτές τις μπαταρίες.

Οι τρισδιάστατοι πορώδεις συλλέκτες ρεύματος χαλκού μπορούν να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά ορισμένα βασικά ζητήματα που προκύπτουν κατά την πρακτική εφαρμογή υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων μπαταριών ιόντων λιθίου επόμενης-γενιάς-, καθιστώντας δυνατή τη βιομηχανική εφαρμογή υλικών όπως το Li, το Sn και το SiC. Η έρευνα σε τρισδιάστατους πορώδεις συλλέκτες ρεύματος χαλκού σχετίζεται στενά με την απόδοση υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων.

Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να επιλεγούν μέθοδοι προετοιμασίας για τρισδιάστατους πορώδεις συλλέκτες ρεύματος χαλκού που είναι εύκολο να βιομηχανοποιηθούν για συγκεκριμένα υλικά αρνητικών ηλεκτροδίων. Λεπτομερείς μελέτες θα πρέπει να διερευνήσουν την επίδραση των συνθηκών διεργασίας στη μορφή πόρων, το μέγεθος πόρων του τρισδιάστατου πορώδους συλλέκτη ρεύματος χαλκού και τις αντίστοιχες μετρήσεις απόδοσης της μπαταρίας, όπως η ενεργειακή πυκνότητα, η απόδοση κύκλου και ο αριθμός κύκλων.

Με βάση αυτό, θα πρέπει να αναπτυχθεί πλήρης εξοπλισμός παραγωγής για να επιτευχθεί η εκβιομηχάνιση των τρισδιάστατων πορωδών συλλεκτών ρεύματος χαλκού. Επί του παρόντος, η περισσότερη έρευνα παραμένει στο στάδιο της βασικής έρευνας, εστιάζοντας στο κατά πόσο είναι αποτελεσματικοί οι προετοιμασμένοι τρισδιάστατοι πορώδεις συλλέκτες ρεύματος χαλκού.

Εκτεταμένη έρευνα αποδεικνύει ότι οι πορώδεις συλλέκτες ρεύματος χαλκού είναι μία από τις σημαντικές μελλοντικές κατευθύνσεις για την ανάπτυξη συλλεκτών ρεύματος από φύλλο χαλκού.

Σημαντική έρευνα σχετικά με τις μεθόδους προετοιμασίας για τρισδιάστατους πορώδεις συλλέκτες ρεύματος χαλκού και νέα υλικά αρνητικών ηλεκτροδίων θα οδηγήσει αναπόφευκτα την εξέλιξη των μπαταριών ιόντων λιθίου-. Η διαδικασία και η μέθοδος προετοιμασίας καθορίζουν τη συγκεκριμένη επιφάνεια, τις μηχανικές ιδιότητες, την πρόσφυση σε υλικά αρνητικών ηλεκτροδίων και την αρνητική αγωγιμότητα ηλεκτροδίων του τρισδιάστατου πορώδους συλλέκτη ρεύματος χαλκού.

Η υπάρχουσα βιβλιογραφία στερείται-εις βάθος έρευνας σχετικά με τον ειδικό αντίκτυπο των τρισδιάστατων πορωδών συλλεκτών ρεύματος χαλκού στην απόδοση της μπαταρίας ιόντων λιθίου- και η εξερεύνηση στη βιομηχανοποίηση αντίστοιχων μεθόδων προετοιμασίας χρειάζεται επιτάχυνση. Στο μέλλον, η εύρεση μεθόδων με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ώριμο εξοπλισμό και εύκολη κλιμάκωση για την παραγωγή συλλεκτών ρεύματος από πορώδη φύλλο χαλκού με χαμηλή μάζα, ρυθμιζόμενο μέγεθος πόρων, υψηλή αγωγιμότητα και καλές μηχανικές ιδιότητες είναι μια κατεύθυνση για την ανάπτυξη νέων υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων μπαταρίας ιόντων λιθίου, τα οποία έχουν σημαντική σημασία για τη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας ιόντων λιθίου.

Αναφορές
Εθνική υποδομή γνώσης της Κίνας (CNKI)