Odată cu dezvoltarea rapidă a vehiculelor electrice cu energie nouă și a aeronavelor electrice, cererea pentru o autonomie extinsă în ambele se bazează din ce în ce mai mult pe bateriile cu energie-litiu-ion densă (LIB)

Odată cu dezvoltarea rapidă a vehiculelor electrice cu energie nouă și a aeronavelor electrice, cererea pentru o autonomie extinsă în ambele se bazează din ce în ce mai mult pe bateriile cu energie-litiu-ion densă (LIB).

În prezent, în bateriile lichide tradiționale, lungimea efectivă a căii de transport a ionilor Li+ în electrodul poros este crucială. Această lungime crește odată cu sarcina suprafață, limitând direct performanța-de încărcare rapidă. În industrie au fost propuse diverse strategii, printre care subțierea electrozilor este una dintre principalele metode de îmbunătățire a performanței ratei, dar această metodă vine cu prețul densității energiei bateriei.

Bateriile cu stare solidă-, ca obiectiv final al bateriilor, se confruntă cu provocări dincolo de randament și cost; unul dintre cele mai mari blocaje este rezolvarea problemei formării dendritei de litiu. Litiul metalic este cel mai promițător material anodic pentru baterii, dar creșterea dendritelor, reactivitatea ridicată a litiului și extinderea volumului prezintă pericole pentru siguranța bateriilor cu litiu metalic, împiedicând aplicarea practică a anozilor cu litiu metalic în bateriile reîncărcabile.

Ambele puncte majore de durere indică în prezent aceeași soluție: cupru spumat. Cuprul spumat, cunoscut și sub numele de cupru 3D, este un nou material pentru baterii cu multe proprietăți și avantaje unice. Cuprul spumat este un material metalic cu un număr mare de pori interconectați distribuiti uniform, prezentând o bună conductivitate și ductilitate. În aplicațiile cu baterii cu litiu-ion, în comparație cu colectoarele de curent cu folie de cupru din prima-generație și cu colectoarele de curent compozite din a doua-generație, colectoarele de curent din metal spumat reprezintă a treia generație. Acest colector de curent de a treia-generație este, de asemenea, un factor cheie care determină dacă China poate fi prima din lume care realizează industrializarea tuturor bateriilor-solide-.

În primul rând, cuprul spumat, ca material pentru baterie, posedă o conductivitate ridicată, ceea ce ajută la îmbunătățirea eficienței de încărcare și descărcare a bateriei. Structura sa poroasă mărește aria de contact dintre electrod și electrolit, îmbunătățind astfel densitatea de energie a bateriei și stabilitatea ciclului. Colectoarele tradiționale de curent (TCC), cum ar fi foliile metalice solide, inclusiv Cu și Al, nu au porozitate și sunt impermeabile la electrolit. Prin urmare, aceste TCC-uri nu facilitează transportul Li+ și limitează transportul Li+ între electrozi doar pe o singură parte, limitând performanța-de încărcare rapidă.

În schimb, designul poros al cuprului spumat permite ionilor de Li+ să treacă atât prin colectorul de curent, cât și prin separator simultan, reducând astfel la jumătate distanța efectivă de transport Li+ și crescând de patru ori performanța-limitată a ratei C- de difuzie, fără a afecta densitatea energiei. În prezent, cei mai importanți producători naționali și internaționali de baterii de înaltă-eficiență au efectuat studii comparative. Potrivit celui mai recent articol din Nature, bateriile care utilizează acest colector de curent prezintă o energie specifică ridicată (276 Wh kg⁻¹) și capacități semnificative de încărcare rapidă-, funcționând la rate de 4 C (78,3% C/C), 6 C (70,5% C/C) și 10 C (54,3% C/C). Acest design poros de colector de curent este compatibil cu procesele existente de fabricare a bateriilor și cu alte strategii de-încărcare rapidă, îmbogățind configurațiile bateriilor și oferind idei mai bune pentru proiectarea bateriilor de-generația următoare.

În al doilea rând, în ceea ce privește cea mai mare problemă în -bateriile cu stare solidă-formarea dendritei de litiu-, suprafața mare a spumei de cupru extinde eficient zona electrodului, oferind mai multe locuri active pentru reacțiile electrochimice. Acest lucru duce la o densitate de curent și o capacitate mai mare a bateriei. Mai important, aria de reacție mai mare înseamnă un curent unitar mai mic, care va îmbunătăți foarte mult formarea dendritei de litiu. Este deja utilizat pe scară largă în bateriile cu stare-condensată și solidă-în laboratoarele producătorilor de top de baterii.

În plus, spuma de cupru are, de asemenea, rezistență mecanică și stabilitate bună, capabilă să reziste la stresul generat în timpul ciclării bateriei, prelungind durata de viață a bateriei. Acest lucru este, de asemenea, foarte atractiv pentru bateriile cu stare solidă-.

Fiecare baterie GWh necesită 700 de tone de cupru pentru 6m de folie de cupru, iar colectorul de curent compozit cântărește aproximativ 300 de tone, necesitând aproximativ 250 de tone de cupru. Cuprul spumat necesită doar aproximativ 100 de tone. Reducerea semnificativă a utilizării cuprului, având în vedere așteptările actuale de-creșteri pe termen lung a prețului cuprului, poate nu numai să economisească o mulțime de costuri, ci și să îmbunătățească semnificativ densitatea de energie a bateriei.