Istraživanje 3D porozne bakrene folije za litij-ionske baterije

Litij-ionske baterije, poznate po svojoj sigurnosti, niskoj cijeni i izvrsnim performansama, naširoko se koriste u prijenosnim elektroničkim uređajima, velikim-sustavima za pohranu energije, električnim vozilima i drugim područjima, što ih čini izvanrednim sekundarnim uređajima za pohranu energije.

Tipična litij{0}}ionska baterija sastoji se od anode, katode, separatora, elektrolita i kolektora struje. Uobičajeni anodni materijali uključuju LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄, itd., dok se grafit prvenstveno koristi za katodu. Kako bi se poboljšali parametri izvedbe poput gustoće energije, katodni grafit često se dopira materijalima poput SiOₓ. U tom kontekstu provode se opsežna istraživanja materijala za litij-ionske baterije.

Bakrena folija, sa svojom izvrsnom vodljivošću i mehaničkim svojstvima, trenutno je preferirani izbor za kolektor struje negativne elektrode u litij-ionskim baterijama. Posljednjih su godina mnogi istraživači također aktivno tražili nove vrste kolektora struje kako bi se prilagodili razvoju baterija.

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

Stoga, bakrena folija ne samo da mora zadovoljiti zahtjeve izvedbe za vodljivost, hrapavost površine i sjaj, već također mora zadovoljiti zahtjeve obrade u pogledu mehaničkih svojstava kao što su vlačna čvrstoća i istezanje. Nadalje, primjenom materijala negativnih elektroda visoke-energije-kao što su silicij-ugljik (SiC), litij (Li), kositar (Sn) i antimon (Sb), postavljaju se dodatni zahtjevi za bakrenu foliju koja nosi te materijale.

Posljednjih su godina mnogi istraživači pokušali ublažiti i riješiti probleme kao što su promjene volumena i stvaranje dendrita u SiC, metalnom litiju i drugim materijalima negativne elektrode tijekom ciklusa iz perspektive bakrene folije kolektora struje negativne elektrode.

Neke studije pokazuju da bakrena folija s poroznom strukturom može učinkovito povećati specifičnu površinu, poboljšati kontaktnu površinu između kolektora struje i aktivnog materijala, osigurati međuspremnik za širenje i skupljanje materijala negativne elektrode, povećati adheziju kako bi se spriječilo odvajanje materijala negativne elektrode, i time poboljšati radni učinak baterije.

Porozna struktura također može suzbiti stvaranje litijevih dendrita tijekom ciklusa punjenja/pražnjenja metalnog litija, rješavajući sigurnosne probleme koji proizlaze iz stvaranja dendrita.

Metoda pripreme porozne bakrene folije ne samo da određuje svojstva kao što su vodljivost, lagana priroda i kapacitet punjenja aktivnog materijala konačnog proizvoda, već i to je li metoda jednostavna, izvediva, koristi zrelu opremu i je li ekonomski održiva za proizvodnju ključni čimbenici za postizanje masovne proizvodnje.

Ovaj rad sažima istraživački status tehnika pripreme za porozne bakrene kolektore struje, uključujući metode šablona, ​​rasparčavanje, sinteriranje praha, kemijske metode i tkanje bakrene mreže, zajedno s njihovim utjecajem na učinkovitost baterije. Također pruža izglede za budući razvoj 3D poroznih bakrenih kolektora struje.

Različite metode pripreme rezultiraju varijacijama u obliku pora, veličini i poroznosti poroznog bakra. Trenutačne glavne metode pripreme uključuju: korištenje CO₂ lasera i tiskanih šablona za izravno stvaranje mikro-kroz-rupa na bakrenoj foliji; upotrebom procesa kao što su predlošci vodikovih mjehurića ili dekstranski predlošci za stvaranje pora poput pjene-; upotrebom slojeva i sinteriranja praha za stvaranje nepravilnih pora; tkanje bakrenih žica za formiranje mrežastih pora; i korištenjem kemijskih metoda za pripremu vlaknastih skeletnih pora na površini.

Na oblik pora, veličinu, poroznost itd. značajno utječe postupak pripreme, što dovodi do značajnih razlika u učinkovitosti.

U litij-ionskim baterijama bakrena folija djeluje i kao potporna struktura i kao sakupljač struje za negativnu elektrodu. Njegova površinska aktivnost, električna vodljivost, otpornost na oksidaciju i vlastita težina izravno utječu na pokazatelje baterije kao što su gustoća energije i performanse ciklusa.

Uz sve veće zahtjeve za litij-ionskim baterijama, nove negativne elektrode kao što su SiC, Sn i Li metal se opsežno istražuju, nudeći teoretski kapacitet daleko veći od grafita. Međutim, upotreba ovih novih negativa predstavlja značajne izazove, kao što su značajne promjene volumena tijekom punjenja/pražnjenja i osjetljivost na stvaranje litijevog dendrita.

3D porozna bakrena folija postala je jedan od pristupa rješavanju ovih problema. U usporedbi s običnom ravnom elektrolitičkom bakrenom folijom, mnoge studije pokazuju da 3D porozna bakrena folija može učinkovito ublažiti probleme širenja/kontrakcije volumena materijala negativne elektrode, čime se poboljšava gustoća energije baterije i sposobnost brzine.

Ispitivanje električnih performansi litijevih metalnih baterija inkapsuliranih s 3D kosturnim bakrenim kolektorima struje pokazalo je da su baterije s običnom bakrenom folijom imale kratke spojeve nakon 400 ciklusa.

To je bilo zbog stvaranja litijeva dendrita tijekom ciklusa, koji je probio separator, uzrokujući kratki spoj, zajedno s ozbiljnom histerezom napona tijekom ciklusa. Nasuprot tome, litij metalne baterije inkapsulirane s 3D bakrenom folijom litijske baterije nisu pokazale pojavu kratkog spoja nakon 600 ciklusa, što ukazuje na značajno potiskivanje litijevih dendrita tijekom ciklusa, izbjegavajući kratke spojeve baterija i rezultirajući ujednačenijim promjenama napona.

Stoga 3D kostur bakrenih kolektora struje može učinkovito riješiti problem litijevog dendrita u litij metalnim baterijama, pružajući sigurnosno jamstvo za te baterije.

3D porozni bakreni kolektori struje mogu učinkovito riješiti neke ključne probleme koji se javljaju tijekom praktične primjene materijala negativne elektrode litij-ionske baterije sljedeće-generacije, čineći mogućom industrijsku primjenu materijala kao što su Li, Sn i SiC. Istraživanje 3D poroznih bakrenih kolektora struje usko je povezano s učinkom materijala negativnih elektroda.

Stoga je potrebno odabrati metode pripreme za 3D porozne bakrene kolektore struje koje je lako industrijalizirati za specifične materijale negativnih elektroda. Detaljne studije trebale bi istražiti utjecaj uvjeta procesa na oblik pora, veličinu pora 3D poroznog bakrenog kolektora struje i odgovarajuće metrike performansi baterije kao što su gustoća energije, ciklusna učinkovitost i broj ciklusa.

Na temelju toga treba razviti kompletnu proizvodnu opremu kako bi se postigla industrijalizacija 3D poroznih bakrenih odvodnika struje. Trenutačno većina istraživanja ostaje u fazi temeljnog istraživanja, fokusirajući se na to jesu li pripremljeni 3D porozni bakreni odvodnici struje učinkoviti.

Opsežna istraživanja dokazuju da su porozni bakreni kolektori jedan od važnih budućih smjerova razvoja kolektora od bakrene folije.

Značajno istraživanje metoda pripreme za 3D porozne bakrene kolektore struje i nove materijale za negativne elektrode neizbježno će potaknuti evoluciju litij-ionskih baterija. Proces i metoda pripreme određuju specifičnu površinu, mehanička svojstva, prianjanje na materijale negativne elektrode i vodljivost negativne elektrode 3D poroznog bakrenog kolektora struje.

U postojećoj literaturi nedostaju-dubinska istraživanja specifičnog utjecaja 3D poroznih bakrenih kolektora struje na performanse litij-ionske baterije, a istraživanje industrijalizacije odgovarajućih metoda pripreme treba ubrzati. U budućnosti, pronalaženje metoda s niskom potrošnjom energije, zrelom opremom i jednostavnom skalabilnošću za proizvodnju kolektora struje od porozne bakrene folije s malom masom, podesivom veličinom pora, visokom vodljivošću i dobrim mehaničkim svojstvima smjer je za razvoj novih materijala negativne elektrode litij-ionske baterije, koji imaju veliku važnost za poboljšanje performansi litij-ionske baterije.

Reference
Kineska nacionalna infrastruktura znanja (CNKI)