С бързото развитие на нови енергийни електрически превозни средства и електрически самолети, търсенето на удължен пробег и при двете все повече разчита на енергийно-плътни литиево-йонни батерии (LIB)

С бързото развитие на нови енергийни електрически превозни средства и електрически самолети, търсенето на удължен пробег и при двете разчита все повече на енергийно-гъстите литиево-йонни батерии (LIB).

Понастоящем в традиционните течни батерии ефективната дължина на транспортния път на Li+ йони в рамките на порестия електрод е от решаващо значение. Тази дължина се увеличава с площното натоварване, което директно ограничава бързото-зареждане. В индустрията са предложени различни стратегии, сред които изтъняването на електродите е един от основните методи за подобряване на производителността на скоростта, но този метод идва за сметка на енергийната плътност на батерията.

Твърдо{0}}батериите, като крайната цел на батериите, се сблъскват с предизвикателства, надхвърлящи производителността и разходите; едно от най-големите затруднения е решаването на проблема с образуването на литиев дендрит. Литиевият метал е най-обещаващият аноден материал за батерии, но растежът на дендритите, високата реактивност на лития и разширяването на обема представляват опасност за безопасността на литиево-металните батерии, възпрепятствайки практическото приложение на литиево-металните аноди в акумулаторни батерии.

И двете основни болезнени точки в момента сочат към едно и също решение: разпенена мед. Разпенената мед, известна още като 3D мед, е нов материал за батерии с много уникални свойства и предимства. Разпенената мед е метален материал с голям брой равномерно разпределени взаимосвързани пори, показващи добра проводимост и пластичност. В приложенията на литиево-йонни батерии, в сравнение с първо-поколение токоприемници от медно фолио и второ-поколение композитни токоприемници, токоприемниците от разпенен метал представляват третото поколение. Този-токов колектор от трето поколение също е ключов фактор, определящ дали Китай може да бъде първият в света, който ще постигне индустриализацията на всички-твърдотелни-батерии.

Първо, разпенената мед, като материал за батерията, притежава висока проводимост, което спомага за подобряване на ефективността на зареждане и разреждане на батерията. Неговата пореста структура увеличава контактната площ между електрода и електролита, като по този начин подобрява енергийната плътност на батерията и стабилността на цикъла. Традиционните токоотводи (TCC), като твърди метални фолиа, включително Cu и Al, нямат порьозност и са непроницаеми за електролита. Следователно тези TCC не улесняват транспорта на Li+ и ограничават транспорта на Li+ между електродите само от едната страна, ограничавайки ефективността на бързото-зареждане.

За разлика от това, порестият дизайн на разпенената мед позволява на Li+ йони да преминават както през колектора на ток, така и през сепаратора едновременно, като по този начин намалява наполовина ефективното транспортно разстояние на Li+ и увеличава четири пъти скоростта на -ограничена C-дифузия, без да се засяга енергийната плътност. В момента водещи местни и международни производители на високо-ефективни батерии са провели сравнителни проучвания. Според най-новата статия в Nature, батериите, използващи този колектор на ток, показват висока специфична енергия (276 Wh kg⁻¹) и значителни възможности за бързо-зареждане, работещи при скорости от 4 C (78,3% C/C), 6 C (70,5% C/C) и 10 C (54,3% C/C). Този дизайн на порест колектор на ток е съвместим със съществуващите процеси за производство на батерии и други стратегии за бързо-зареждане, като обогатява конфигурациите на батериите и предоставя по-добри идеи за проектиране на батерии от следващо-поколение.

Второ, що се отнася до най-големия проблем при твърдо{0}}батериите-образуването на литиев дендрит-голямата повърхност на медната пяна ефективно разширява площта на електрода, осигурявайки по-активни места за електрохимични реакции. Това води до по-висока плътност на тока и капацитет на батерията. По-важното е, че по-голямата реакционна площ означава по-малък единичен ток, което значително ще подобри образуването на литиев дендрит. Той вече се използва широко в батерии в кондензирано-състояние и твърдо-състояние в лабораториите на водещи производители на батерии.

Освен това, медната пяна също има добра механична якост и стабилност, способна да издържи на стреса, генериран по време на цикъла на батерията, удължавайки живота на батерията. Това също е много привлекателно за твърдотелни-батерии.

Всяка GWh батерия изисква 700 тона мед за 6 метра медно фолио, а композитният токоприемник тежи около 300 тона, изисквайки около 250 тона мед. Разпенената мед изисква само около 100 тона. Значителното намаляване на употребата на мед, като се имат предвид настоящите очаквания за дългосрочно-повишаване на цените на медта, може не само да спести много разходи, но и значително да подобри енергийната плътност на батерията.