S rýchlym vývojom nových energetických elektrických vozidiel a elektrických lietadiel sa dopyt po predĺženom dojazde v oboch čoraz viac spolieha na energeticky -lítium{1}}iónové batérie (LIB)

S rýchlym vývojom nových energetických elektrických vozidiel a elektrických lietadiel sa dopyt po predĺženom dojazde v oboch čoraz viac spolieha na energeticky -lítium{1}}iónové batérie s vysokou hustotou (LIB).

V súčasnosti je v tradičných tekutých batériách rozhodujúca efektívna dĺžka transportnej dráhy Li+ iónov v poréznej elektróde. Táto dĺžka sa zvyšuje s plošným zaťažením, čo priamo obmedzuje rýchlosť-nabíjania. V priemysle boli navrhnuté rôzne stratégie, medzi ktorými je riedenie elektród jednou z hlavných metód na zlepšenie rýchlosti, ale táto metóda prichádza na úkor hustoty energie batérie.

Pevné-batérie ako hlavný cieľ batérií čelia výzvam, ktoré presahujú výnos a cenu; jednou z najväčších prekážok je riešenie problému tvorby lítneho dendritu. Lítiový kov je najsľubnejším anódovým materiálom pre batérie, ale rast dendritov, vysoká reaktivita lítia a objemová expanzia predstavujú bezpečnostné riziká pre lítiové kovové batérie, čo bráni praktickej aplikácii lítiových kovových anód v nabíjateľných batériách.

Oba tieto hlavné bolestivé body v súčasnosti poukazujú na rovnaké riešenie: penovú meď. Penová meď, známa aj ako 3D meď, je nový batériový materiál s mnohými jedinečnými vlastnosťami a výhodami. Penová meď je kovový materiál s veľkým počtom rovnomerne rozmiestnených prepojených pórov, vykazujúcich dobrú vodivosť a ťažnosť. V aplikáciách lítium{4}}iónových batérií predstavujú v porovnaní s prvou-generáciou zberačov prúdu z medenej fólie a-kompozitnými zberačmi prúdu druhej{6}}generácie, zberače prúdu z penového kovu tretiu generáciu. Táto tretia-generácia zberača prúdu je tiež kľúčovým faktorom určujúcim, či Čína môže byť prvou na svete, ktorá dosiahne industrializáciu všetkých-pevných{10}}batérií.

Po prvé, penová meď ako materiál batérie má vysokú vodivosť, ktorá pomáha zlepšiť účinnosť nabíjania a vybíjania batérie. Jeho porézna štruktúra zväčšuje kontaktnú plochu medzi elektródou a elektrolytom, čím zlepšuje hustotu energie batérie a stabilitu cyklu. Tradičné kolektory prúdu (TCC), ako sú pevné kovové fólie vrátane Cu a Al, nemajú pórovitosť a sú nepriepustné pre elektrolyt. Preto tieto TCC neuľahčujú transport Li+ a obmedzujú transport Li+ medzi elektródami len na jednu stranu, čím obmedzujú výkon rýchleho-nabíjania.

Na rozdiel od toho, porézny dizajn penovej medi umožňuje iónom Li+ prechádzať súčasne cez zberač prúdu aj separátor, čím sa efektívna transportná vzdialenosť Li+ skráti na polovicu a štvornásobne sa zvýši difúzna -obmedzená rýchlosť C- bez ovplyvnenia hustoty energie. V súčasnosti poprední domáci a medzinárodní výrobcovia vysokoúčinných batérií{5}}vykonali porovnávacie štúdie. Podľa najnovšieho článku Nature batérie využívajúce tento zberač prúdu vykazujú vysokú špecifickú energiu (276 Wh kg⁻¹) a výrazné rýchle-nabíjanie pri rýchlostiach 4 C (78,3 % C/C), 6 C (70,5 % C/C) a 10 C (54,3 % C/C). Tento dizajn porézneho zberača prúdu je kompatibilný s existujúcimi výrobnými procesmi batérií a ďalšími stratégiami rýchleho{16}}nabíjania, čím obohacuje konfigurácie batérií a poskytuje lepšie nápady na navrhovanie batérií ďalšej{17}}generácie.

Po druhé, pokiaľ ide o najväčší problém pri tvorbe pevných{0}}batérií{1}}lítium-dendritov-, veľký povrch medenej peny účinne zväčšuje plochu elektród a poskytuje tak aktívnejšie miesta pre elektrochemické reakcie. To vedie k vyššej hustote prúdu a kapacite batérie. Ešte dôležitejšie je, že väčšia reakčná plocha znamená menší jednotkový prúd, čo výrazne zlepší tvorbu lítneho dendritu. V laboratóriách popredných výrobcov batérií sa už bežne používa v kondenzovaných-a polovodičových-batériách.

Okrem toho má medená pena tiež dobrú mechanickú pevnosť a stabilitu, je schopná odolať namáhaniu generovanému počas cyklovania batérie, čím sa predlžuje životnosť batérie. To je tiež veľmi atraktívne pre polovodičové-batérie.

Každá GWh batéria vyžaduje 700 ton medi na 6 m medenej fólie a kompozitný zberač prúdu váži asi 300 ton, čo vyžaduje asi 250 ton medi. Penová meď vyžaduje len asi 100 ton. Výrazné zníženie spotreby medi, vzhľadom na súčasné očakávania dlhodobého-zvyšovania cien medi, môže nielen ušetriť veľa nákladov, ale aj výrazne zlepšiť energetickú hustotu batérie.