Istraživanje 3D porozne bakrene folije za litijum{1}}jonske baterije

Litijum{0}}jonske baterije, poznate po svojoj sigurnosti, niskoj cijeni i odličnim performansama, široko se koriste u prijenosnim elektronskim uređajima, velikim-sistemima za pohranu energije, električnim vozilima i drugim poljima, što ih čini izvanrednim sekundarnim uređajima za pohranu energije.

Tipična litijum{0}}jonska baterija sastoji se od anode, katode, separatora, elektrolita i strujnih kolektora. Uobičajeni anodni materijali uključuju LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄, itd., dok se grafit prvenstveno koristi za katodu. Da bi se poboljšali parametri performansi kao što je gustoća energije, katodni grafit je često dopiran materijalima poput SiOₓ. U tom kontekstu se provode opsežna istraživanja o materijalima za litijum{5}}ionske baterije.

Bakarna folija, sa svojom odličnom provodljivošću i mehaničkim svojstvima, trenutno je poželjan izbor za kolektor struje negativne elektrode u litijum{0}}ionskim baterijama. Posljednjih godina, mnogi istraživači su također aktivno tražili nove tipove strujnih kolektora kako bi se prilagodili razvoju baterija.

Proizvodni proces za anodu baterije uključuje ravnomjerno premazivanje pripremljene suspenzije aktivnog materijala negativne elektrode na površinu bakarne folije, nakon čega slijedi sušenje, valjanje, rezanje i drugi koraci za formiranje konačnog proizvoda negativne elektrode.

Stoga, bakarna folija ne samo da mora zadovoljiti zahtjeve performansi za provodljivost, hrapavost površine i sjaj, već i zahtjeve obrade u pogledu mehaničkih svojstava kao što su vlačna čvrstoća i izduženje. Nadalje, primjenom materijala za elektrode visoke{1}}energije-negativne gustine kao što su silicijum-ugljik (SiC), litijum (Li), kalaj (Sn) i antimon (Sb), postavljaju se dodatni zahtjevi za bakarnu foliju koja nosi ove materijale.

Poslednjih godina, mnogi istraživači su pokušali da ublaže i reše probleme kao što su promene zapremine i formiranje dendrita u SiC, metalu litijuma i drugim materijalima negativnih elektroda tokom ciklusa iz perspektive bakarne folije kolektora struje negativne elektrode.

Neka istraživanja pokazuju da bakarna folija porozne strukture može učinkovito povećati specifičnu površinu, poboljšati kontaktnu površinu između strujnog kolektora i aktivnog materijala, osigurati puferski prostor za širenje i kontrakciju materijala negativne elektrode, povećati adheziju kako bi se spriječilo odvajanje materijala negativne elektrode i na taj način poboljšati performanse ciklusa baterije.

Porozna struktura takođe može potisnuti stvaranje litijum dendrita tokom ciklusa punjenja/pražnjenja metala litijuma, rešavajući bezbednosne probleme koji proizilaze iz formiranja dendrita.

Metoda pripreme porozne bakarne folije ne samo da određuje svojstva kao što su provodljivost, lagana priroda i kapacitet nosivosti aktivnog materijala finalnog proizvoda, već i da li je metoda jednostavna, izvodljiva, koristi zrelu opremu i ekonomski isplativa za proizvodnju, ključni su faktori za postizanje masovne proizvodnje.

Ovaj rad sumira status istraživanja tehnika pripreme za porozne bakrene strujne kolektore, uključujući metode šablona, ​​lakiranje, sinterovanje u prahu, hemijske metode i tkanje bakrenih mreža, zajedno sa njihovim uticajem na performanse baterija. Takođe pruža izglede za budući razvoj 3D poroznih bakrenih strujnih kolektora.

Različite metode pripreme rezultiraju varijacijama u obliku pora, veličini i poroznosti poroznog bakra. Trenutne glavne metode pripreme uključuju: korištenje CO₂ lasera i štampanih šablona za direktno kreiranje mikro-kroz-rupa na bakarnoj foliji; korištenje procesa kao što su šabloni vodoničnih mjehurića ili šabloni dekstrana za formiranje pjene-poput pora; korištenjem sinteriranja i praškastog sinteriranja za stvaranje nepravilnih pora; tkanje bakrenih žica za formiranje mrežastih pora; i korištenjem kemijskih metoda za pripremu pora vlaknastog skeleta na površini.

Oblik pora, veličina, poroznost, itd., značajno su pod utjecajem procesa pripreme, što dovodi do značajnih razlika u performansama.

U litijum{0}}jonskim baterijama, bakarna folija djeluje i kao potporna struktura i kao kolektor struje za negativnu elektrodu. Njegova površinska aktivnost, električna provodljivost, otpornost na oksidaciju i sopstvena težina direktno utiču na indikatore baterije kao što su gustina energije i performanse ciklusa.

Sa sve većim zahtjevima za litijum{0}}ionskim baterijama, nove negativne elektrode poput SiC, Sn i Li metala se opsežno istražuju, nudeći teoretske kapacitete koji daleko nadmašuju grafit. Međutim, upotreba ovih novih negativa predstavlja istaknute izazove, kao što su značajne promjene zapremine tokom punjenja/pražnjenja i podložnost formiranju litijum dendrita.

3D porozna bakarna folija postala je jedan od pristupa rješavanju ovih problema. U poređenju sa običnom ravnom elektrolitičkom bakrenom folijom, mnoga istraživanja pokazuju da 3D porozna bakarna folija može efikasno ublažiti probleme ekspanzije/kontrakcije zapremine materijala negativnih elektroda, čime se poboljšava gustina energije baterije i sposobnost brzine.

Testiranje električnih performansi litijum-metalnih baterija inkapsuliranih sa 3D skeletnim bakrenim kolektorima struje otkrilo je da su baterije sa običnom bakrenom folijom doživele kratki spoj nakon 400 ciklusa.

To je bilo zbog formiranja litijum dendrita tokom ciklusa, koji je probio separator, uzrokujući kratki spoj, zajedno sa ozbiljnom histerezom napona tokom ciklusa. Nasuprot tome, litijum-metalne baterije inkapsulirane bakrenom folijom 3D litijumske baterije nisu pokazale pojavu kratkog spoja nakon 600 ciklusa, što ukazuje na značajno potiskivanje litijumskih dendrita tokom ciklusa, izbegavajući kratke spojeve baterije i rezultirajući ujednačenijim promenama napona.

Stoga, 3D kolektori bakrenih strujnih kolektora mogu efikasno riješiti problem litijum dendrita u litijum metalnim baterijama, pružajući sigurnosnu garanciju za ove baterije.

3D porozni bakarni strujni kolektori mogu efikasno riješiti neke ključne probleme koji se javljaju tokom praktične primjene materijala za negativne elektrode litijum- sljedeće generacije litijum-, čineći industrijsku primjenu materijala poput Li, Sn i SiC mogućom. Istraživanje 3D poroznih bakrenih strujnih kolektora usko je povezano s performansama materijala negativnih elektroda.

Stoga je potrebno odabrati metode pripreme za 3D porozne bakrene strujne kolektore koje je lako industrijalizirati za specifične materijale negativnih elektroda. Detaljne studije bi trebalo da istraže uticaj uslova procesa na oblik pora, veličinu pora 3D poroznog bakrenog kolektora struje i odgovarajuće metrike performansi baterije kao što su gustina energije, efikasnost ciklusa i broj ciklusa.

Na osnovu toga treba razviti kompletnu proizvodnu opremu za industrijalizaciju 3D poroznih bakrenih strujnih kolektora. Trenutno, većina istraživanja ostaje u fazi osnovnih istraživanja, fokusirajući se na to da li su pripremljeni 3D porozni bakarni strujni kolektori efikasni.

Opsežna istraživanja dokazuju da su porozni bakreni strujni kolektori jedan od važnih budućih pravaca razvoja kolektora od bakarne folije.

Značajna istraživanja o metodama pripreme 3D poroznih bakrenih strujnih kolektora i novih materijala negativnih elektroda neizbježno će pokrenuti evoluciju litijum{1}}jonskih baterija. Proces i metoda pripreme određuju specifičnu površinu, mehanička svojstva, adheziju na materijale negativne elektrode i negativnu provodljivost elektrode 3D poroznog bakrenog strujnog kolektora.

Postojećoj literaturi nedostaje-dubina istraživanja o specifičnom uticaju 3D poroznih bakrenih kolektora struje na performanse litijum{2}}jonskih baterija, a istraživanje industrijalizacije odgovarajućih metoda pripreme treba ubrzati. U budućnosti, pronalaženje metoda sa niskom potrošnjom energije, zrelom opremom i lakom skalabilnosti za proizvodnju poroznih kolektora struje bakrene folije sa malom masom, podesivom veličinom pora, visokom provodljivošću i dobrim mehaničkim svojstvima je pravac za razvoj novih materijala negativnih elektroda litijum-ionskih baterija, koji imaju značajan značaj za poboljšanje performansi litijum-jonskih baterija.

Reference
Kineska nacionalna infrastruktura znanja (CNKI)