Les bateries d'ions de liti-, conegudes per la seva seguretat, baix cost i rendiment excel·lent, s'utilitzen àmpliament en dispositius electrònics portàtils, sistemes d'emmagatzematge d'energia a gran-escala, vehicles elèctrics i altres camps, cosa que els converteix en dispositius d'emmagatzematge d'energia secundària excepcionals.
Una bateria d'ions de liti-típica consta d'un ànode, un càtode, un separador, un electròlit i col·lectors de corrent. Els materials d'ànode comuns inclouen LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄, etc., mentre que el grafit s'utilitza principalment per al càtode. Per millorar paràmetres de rendiment com la densitat d'energia, el grafit càtode sovint es dopa amb materials com el SiOₓ. En aquest context, es duu a terme una investigació exhaustiva sobre materials per a bateries d'ions de liti-.
Preparació de coure porós 3D
La làmina de coure, amb la seva excel·lent conductivitat i propietats mecàniques, és actualment l'opció preferida per al col·lector de corrent d'elèctrode negatiu en bateries d'ions de liti-. En els darrers anys, molts investigadors també han estat buscant activament nous tipus de col·lectors actuals per adaptar-se al desenvolupament de bateries.
El procés de producció de l'ànode de la bateria consisteix a recobrir uniformement una pasta preparada de material actiu d'elèctrode negatiu a la superfície de la làmina de coure, seguit d'assecat, enrotllament, tall i altres passos per formar el producte final de l'elèctrode negatiu.
Per tant, la làmina de coure no només ha de complir els requisits de rendiment de conductivitat, rugositat superficial i brillantor, sinó que també ha de satisfer els requisits de processament pel que fa a propietats mecàniques com ara la resistència a la tracció i l'allargament. A més, amb l'aplicació de materials d'elèctrodes negatius d'alta-energia-densitat com el silici-carboni (SiC), liti (Li), estany (Sn) i antimoni (Sb), es fan demandes addicionals a la làmina de coure que suporta aquests materials.
En els darrers anys, molts investigadors han intentat mitigar i resoldre problemes com els canvis de volum i la formació de dendrites en SiC, metall de liti i altres materials d'elèctrodes negatius durant el cicle des de la perspectiva de la làmina de coure del col·lector de corrent de l'elèctrode negatiu.
Alguns estudis indiquen que la làmina de coure d'estructura porosa pot augmentar eficaçment la superfície específica, millorar l'àrea de contacte entre el col·lector actual i el material actiu, proporcionar un espai amortidor per a l'expansió i contracció del material de l'elèctrode negatiu, augmentar l'adhesió per evitar el despreniment del material de l'elèctrode negatiu i, per tant, millorar el rendiment del cicle de la bateria.
L'estructura porosa també pot suprimir la formació de dendrites de liti durant els cicles de càrrega/descàrrega del metall de liti, abordant els problemes de seguretat derivats de la formació de dendrites.
El mètode de preparació de làmines poroses de coure no només determina propietats com la conductivitat, la naturalesa lleugera i la capacitat de càrrega del material actiu del producte final, sinó també si el mètode és senzill, factible, utilitza equips madurs i és econòmicament viable per a la producció són factors clau per aconseguir la producció en massa.
Aquest article resumeix l'estat de la investigació de les tècniques de preparació per a col·lectors de corrent de coure porós, incloent mètodes de plantilla, desaliatge, sinterització de pols, mètodes químics i teixit de malla de coure, juntament amb el seu impacte en el rendiment de la bateria. També ofereix perspectives per al desenvolupament futur de col·lectors de corrent de coure porós 3D.
Els diferents mètodes de preparació donen lloc a variacions en la forma dels porus, la mida i la porositat del coure porós. Els mètodes de preparació principals actuals inclouen: l'ús de làsers de CO₂ i plantilles impreses per crear directament micro-forats-pasants a la làmina de coure; utilitzar processos com plantilles de bombolles d'hidrogen o plantilles de dextran per formar porus-com escuma; emprant la desaliatge i la sinterització de pols per crear porus irregulars; teixir filferros de coure per formar porus de malla; i utilitzant mètodes químics per preparar porus d'esquelet fibrós a la superfície.
La forma dels porus, la mida, la porositat, etc., estan influenciades significativament pel procés de preparació, donant lloc a diferències de rendiment considerables.
Impacte dels col·lectors de corrent de coure porós 3D en el rendiment de la bateria d'ions de liti-
A les bateries d'ions de liti-, la làmina de coure actua com a estructura de suport i com a col·lector de corrent per a l'elèctrode negatiu. La seva activitat superficial, conductivitat elèctrica, resistència a l'oxidació i pes propi afecten directament els indicadors de la bateria com ara la densitat d'energia i el rendiment del cicle.
Amb l'augment de les demandes de bateries d'ions de liti-, s'estan investigant àmpliament nous elèctrodes negatius com el SiC, el Sn i el metall Li, que ofereixen capacitats teòriques que superen amb escreix el grafit. Tanmateix, l'ús d'aquests nous negatius presenta reptes destacats, com ara canvis significatius de volum durant la càrrega/descàrrega i la susceptibilitat a la formació de dendrita de liti.
La làmina de coure porosa 3D s'ha convertit en un dels enfocaments per abordar aquests problemes. En comparació amb la làmina de coure electrolítica plana ordinària, molts estudis mostren que la làmina de coure porosa 3D pot mitigar eficaçment els problemes d'expansió/contracció del volum dels materials d'elèctrode negatiu, millorant així la densitat d'energia de la bateria i la capacitat de velocitat.
Millora de la seguretat
Les proves del rendiment elèctric de les bateries de metall de liti encapsulades amb col·lectors de corrent de coure d'esquelet 3D van revelar que les bateries amb làmina de coure normal experimentaven curtcircuits després de 400 cicles.
Això es va deure a la formació de dendrita de liti durant el cicle, que va perforar el separador, provocant el curtcircuit, juntament amb una histèresi de tensió severa durant el cicle. En canvi, les bateries de metall de liti encapsulades amb una làmina de coure de bateria de liti 3D no van mostrar cap curtcircuit després de 600 cicles, cosa que indica una supressió significativa de les dendrites de liti durant el cicle, evitant curtcircuits de la bateria i provocant canvis de voltatge més uniformes.
Per tant, els col·lectors de corrent de coure d'esquelet 3D poden resoldre eficaçment el problema de la dendrita de liti a les bateries de metall de liti, proporcionant una garantia de seguretat per a aquestes bateries.
Els col·lectors de corrent de coure porós 3D poden abordar eficaçment alguns problemes clau que sorgeixen durant l'aplicació pràctica dels materials d'elèctrodes negatius de la bateria d'ions de liti-de propera generació-, fent possible l'aplicació industrial de materials com Li, Sn i SiC. La investigació sobre col·lectors de corrent de coure porós 3D està estretament relacionada amb el rendiment dels materials d'elèctrodes negatius.
Per tant, cal seleccionar mètodes de preparació per a col·lectors de corrent de coure porós 3D que siguin fàcils d'industrialitzar per a materials específics d'elèctrodes negatius. Els estudis detallats haurien d'investigar la influència de les condicions del procés en la forma dels porus, la mida dels porus del col·lector de corrent de coure porós 3D i les mètriques de rendiment de la bateria corresponents, com ara la densitat d'energia, l'eficiència del cicle i el recompte de cicles.
A partir d'això, s'haurien de desenvolupar equips de producció complets per aconseguir la industrialització dels col·lectors de corrent de coure porós 3D. Actualment, la majoria de la investigació es manté en l'etapa d'investigació bàsica, centrada en si els col·lectors de corrent de coure porós en 3D preparats són efectius.
Tendències i perspectives de desenvolupament per a col·lectors de corrent de coure porós 3D
Una àmplia investigació demostra que els col·lectors de corrent de coure porós són una de les direccions futures importants per al desenvolupament dels col·lectors de corrent de làmines de coure.
Una investigació significativa sobre mètodes de preparació per a col·lectors de corrent de coure porós 3D i nous materials d'elèctrodes negatius impulsarà inevitablement l'evolució de les bateries d'ions de liti-. El procés i el mètode de preparació determinen la superfície específica, les propietats mecàniques, l'adhesió als materials d'elèctrode negatiu i la conductivitat negativa de l'elèctrode del col·lector de corrent de coure porós 3D.
La literatura existent manca d'{0}}investigacions en profunditat sobre l'impacte específic dels col·lectors de corrent de coure porós 3D en el rendiment de les bateries d'ions de liti-, i cal accelerar l'exploració per industrialitzar els mètodes de preparació corresponents. En el futur, trobar mètodes amb baix consum d'energia, equips madurs i fàcil escalabilitat per produir col·lectors de corrent de làmines de coure poroses amb poca massa, mida de porus ajustable, alta conductivitat i bones propietats mecàniques és una direcció per desenvolupar nous materials d'elèctrodes negatius de la bateria d'ions de liti, que tenen una importància significativa per millorar el rendiment de la bateria d'ions de liti.
Referències
Infraestructura nacional del coneixement de la Xina (CNKI)
