Litij-ionske baterije, znane po svoji varnosti, nizki ceni in odlični zmogljivosti, se pogosto uporabljajo v prenosnih elektronskih napravah, velikih{1}}sistemih za shranjevanje energije, električnih vozilih in na drugih področjih, zaradi česar so izjemne sekundarne naprave za shranjevanje energije.
Tipična litij{0}}ionska baterija je sestavljena iz anode, katode, separatorja, elektrolita in zbiralnikov toka. Običajni anodni materiali vključujejo LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄ itd., medtem ko se za katodo uporablja predvsem grafit. Za izboljšanje parametrov delovanja, kot je energijska gostota, je katodni grafit pogosto dopiran z materiali, kot je SiOₓ. V tem okviru potekajo obsežne raziskave materialov za litij-ionske baterije.
Priprava 3D poroznega bakra
Bakrena folija s svojo odlično prevodnostjo in mehanskimi lastnostmi je trenutno najprimernejša izbira za zbiralnik toka negativne elektrode v litij{0}}ionskih baterijah. V zadnjih letih so številni raziskovalci tudi aktivno iskali nove vrste tokovnih odjemnikov za razvoj baterij.
Proizvodni proces za baterijsko anodo vključuje enakomerno nanašanje pripravljene brozge aktivnega materiala negativne elektrode na površino bakrene folije, čemur sledi sušenje, valjanje, rezanje in drugi koraki za oblikovanje končnega izdelka negativne elektrode.
Zato bakrena folija ne sme izpolnjevati le zahtev glede prevodnosti, površinske hrapavosti in sijaja, temveč mora izpolnjevati tudi zahteve glede obdelave glede mehanskih lastnosti, kot sta natezna trdnost in raztezek. Poleg tega so z uporabo materialov negativnih elektrod z visoko-energijsko-gostoto, kot so silicij-ogljik (SiC), litij (Li), kositer (Sn) in antimon (Sb), za bakreno folijo, ki podpira te materiale, postavljene dodatne zahteve.
V zadnjih letih je veliko raziskovalcev poskušalo ublažiti in rešiti težave, kot so spremembe volumna in tvorba dendritov v SiC, kovinskem litiju in drugih materialih negativnih elektrod med kroženjem z vidika bakrene folije zbiralnika toka negativne elektrode.
Nekatere študije kažejo, da lahko bakrena folija s porozno strukturo učinkovito poveča specifično površino, poveča kontaktno površino med zbiralnikom toka in aktivnim materialom, zagotovi vmesni prostor za širjenje in krčenje materiala negativne elektrode, poveča oprijem, da se prepreči odvajanje materiala negativne elektrode, in s tem izboljša ciklično delovanje baterije.
Porozna struktura lahko tudi zavre nastajanje litijevih dendritov med cikli polnjenja/praznjenja kovinskega litija, kar obravnava varnostne pomisleke, ki izhajajo iz nastajanja dendritov.
Metoda priprave porozne bakrene folije ne določa le lastnosti, kot so prevodnost, lahka narava in zmogljivost nalaganja aktivnega materiala končnega izdelka, ampak tudi, ali je metoda preprosta, izvedljiva, uporablja zrelo opremo in je ekonomsko upravičena za proizvodnjo, so ključni dejavniki za doseganje množične proizvodnje.
Ta članek povzema status raziskav o tehnikah priprave za porozne bakrene tokovne odjemnike, vključno s šablonskimi metodami, obdelavo z legiranjem, sintranjem prahu, kemičnimi metodami in tkanjem bakrene mreže, skupaj z njihovim vplivom na delovanje baterije. Zagotavlja tudi možnosti za prihodnji razvoj 3D poroznih bakrenih tokovnih odjemnikov.
Različne metode priprave povzročijo razlike v obliki por, velikosti in poroznosti poroznega bakra. Trenutne glavne metode priprave vključujejo: uporabo CO₂ laserjev in natisnjenih predlog za neposredno ustvarjanje mikro-skozi-lukenj na bakreni foliji; z uporabo postopkov, kot so šablone z vodikovimi mehurčki ali dekstranske šablone za oblikovanje pene-podobnih por; z uporabo obdelave z legiranjem in sintranja prahu za ustvarjanje nepravilnih por; tkanje bakrenih žic za oblikovanje mrežnih por; in z uporabo kemičnih metod za pripravo por vlaknastega skeleta na površini.
Postopek priprave močno vpliva na obliko por, velikost, poroznost itd., kar vodi do znatnih razlik v učinkovitosti.
Vpliv 3D poroznih bakrenih tokovnih zbiralnikov na zmogljivost litij-ionske baterije
V litij-ionskih baterijah bakrena folija deluje tako kot podporna struktura kot zbiralnik toka za negativno elektrodo. Njegova površinska aktivnost, električna prevodnost, odpornost proti oksidaciji in lastna teža neposredno vplivajo na indikatorje baterije, kot sta energijska gostota in ciklična zmogljivost.
Z naraščajočimi zahtevami po litij-ionskih baterijah se obsežno raziskujejo nove negativne elektrode, kot so kovine SiC, Sn in Li, ki ponujajo teoretične zmogljivosti, ki daleč presegajo grafit. Vendar pa uporaba teh novih negativov predstavlja pomembne izzive, kot so pomembne spremembe volumna med polnjenjem/praznjenjem in dovzetnost za nastanek litijevega dendrita.
3D porozna bakrena folija je postala eden od pristopov za reševanje teh težav. V primerjavi z navadno ravno elektrolitsko bakreno folijo številne študije kažejo, da lahko 3D porozna bakrena folija učinkovito ublaži težave z razširitvijo/krčenjem volumna materialov negativnih elektrod, s čimer izboljša gostoto energije baterije in zmogljivost hitrosti.
Izboljšanje varnosti
Preizkušanje električnih zmogljivosti litijevih kovinskih baterij, zaprtih s 3D skeletnimi bakrenimi tokovnimi zbiralniki, je pokazalo, da so baterije z navadno bakreno folijo po 400 ciklih doživele kratek stik.
To je bilo posledica tvorbe litijevega dendrita med cikliranjem, ki je prebil separator in povzročil kratek stik, skupaj s hudo histerezo napetosti med cikliranjem. Nasprotno pa litijeve kovinske baterije, inkapsulirane z bakreno folijo 3D litijeve baterije, po 600 ciklih niso pokazale kratkega stika, kar kaže na znatno zatiranje litijevih dendritov med cikliranjem, izogibanje kratkim stikom baterije in posledično bolj enakomerne spremembe napetosti.
Zato lahko 3D skeletni bakreni tokovni zbiralniki učinkovito rešijo problem litijevega dendrita v litijevih kovinskih baterijah, kar zagotavlja varnostno jamstvo za te baterije.
3D porozni bakreni odjemniki toka lahko učinkovito obravnavajo nekatera ključna vprašanja, ki se pojavijo med praktično uporabo materialov negativne elektrode litij-ionske baterije naslednje-generacije, kar omogoča industrijsko uporabo materialov, kot so Li, Sn in SiC. Raziskave 3D poroznih bakrenih tokovnih zbiralnikov so tesno povezane z zmogljivostjo materialov negativnih elektrod.
Zato je treba izbrati metode priprave za 3D porozne bakrene tokovne zbiralnike, ki jih je enostavno industrializirati za posebne materiale negativnih elektrod. Podrobne študije bi morale raziskati vpliv procesnih pogojev na obliko por, velikost por 3D poroznega bakrenega tokovnega zbiralnika in ustrezne meritve delovanja baterije, kot so gostota energije, ciklična učinkovitost in število ciklov.
Na podlagi tega je treba razviti celotno proizvodno opremo za doseganje industrializacije 3D poroznih bakrenih tokovnih odjemnikov. Trenutno večina raziskav ostaja v fazi temeljnih raziskav, ki se osredotočajo na to, ali so pripravljeni 3D porozni bakreni odjemniki toka učinkoviti.
Razvojni trendi in obeti za 3D porozne bakrene tokovne odjemnike
Obsežne raziskave dokazujejo, da so porozni bakreni tokovni odjemniki ena od pomembnih prihodnjih usmeritev razvoja tokovnih odjemnikov iz bakrene folije.
Pomembne raziskave o metodah priprave 3D poroznih bakrenih tokovnih zbiralnikov in novih materialov za negativne elektrode bodo neizogibno spodbudile razvoj litij-ionskih baterij. Postopek in metoda priprave določata specifično površino, mehanske lastnosti, oprijem na materiale negativne elektrode in prevodnost negativne elektrode 3D poroznega bakrenega tokovnega zbiralnika.
V obstoječi literaturi manjkajo-poglobljene raziskave o specifičnem vplivu 3D poroznih bakrenih tokovnih zbiralnikov na delovanje litij-ionske baterije, zato je treba pospešiti raziskovanje industrializacije ustreznih metod priprave. V prihodnosti je iskanje metod z nizko porabo energije, dovršeno opremo in enostavno razširljivostjo za proizvodnjo tokovnih zbiralnikov iz porozne bakrene folije z nizko maso, nastavljivo velikostjo por, visoko prevodnostjo in dobrimi mehanskimi lastnostmi smer za razvoj novih materialov negativne elektrode litij-ionske baterije, kar je zelo pomembno za izboljšanje zmogljivosti litij-ionske baterije.
Reference
Kitajska nacionalna infrastruktura znanja (CNKI)
