מחקר על רדיד נחושת נקבובי תלת-ממדי עבור סוללות ליתיום-יון

סוללות ליתיום-יון, הידועות בבטיחותן, בעלותן הנמוכה ובביצועים המצוינים שלהן, נמצאות בשימוש נרחב במכשירים אלקטרוניים ניידים, במערכות אחסון אנרגיה-בקנה מידה גדול, בכלי רכב חשמליים ובתחומים אחרים, מה שהופך אותן להתקני אחסון אנרגיה משניים מצטיינים.

סוללת ליתיום- טיפוסית מורכבת מאנודה, קתודה, מפריד, אלקטרוליט וקולטי זרם. חומרי האנודה הנפוצים כוללים LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O4 וכו', בעוד שגרפיט משמש בעיקר לקתודה. כדי לשפר פרמטרים של ביצועים כמו צפיפות אנרגיה, גרפיט קתודי מסומם לעתים קרובות בחומרים כמו SiOₓ. במסגרת זו נערך מחקר מקיף על חומרים לסוללות ליתיום-יון.

רדיד נחושת, עם המוליכות המצוינת והתכונות המכניות שלו, הוא כיום הבחירה המועדפת עבור קולט זרם האלקטרודות השליליות בסוללות ליתיום-יון. בשנים האחרונות, חוקרים רבים גם מחפשים באופן פעיל סוגים חדשים של אספנים זרם כדי להתאים לפיתוח סוללות.

תהליך הייצור של אנודת הסוללה כולל ציפוי אחיד של חומר פעיל של אלקטרודה שלילית מוכנה על משטח נייר הנחושת, ולאחר מכן ייבוש, גלגול, חיתוך ושלבים אחרים ליצירת מוצר האלקטרודה השלילי הסופי.

לכן, רדיד נחושת חייב לא רק לעמוד בדרישות הביצועים עבור מוליכות, חספוס פני השטח ומבריק אלא גם לעמוד בדרישות העיבוד לגבי תכונות מכניות כגון חוזק מתיחה והתארכות. יתר על כן, עם היישום של חומרי אלקטרודות שליליות- בצפיפות- גבוהה כמו סיליקון-פחמן (SiC), ליתיום (Li), בדיל (Sn) ואנטימון (Sb), דרישות נוספות מונחות לרדיד הנחושת התומך בחומרים אלו.

בשנים האחרונות, חוקרים רבים ניסו למתן ולפתור בעיות כמו שינויי נפח והיווצרות דנדריטים ב-SiC, מתכת ליתיום וחומרי אלקטרודה שליליים אחרים במהלך רכיבה על אופניים מנקודת המבט של רדיד נחושת של אספן זרם האלקטרודות השלילי.

כמה מחקרים מצביעים על כך שרדיד נחושת במבנה נקבובי יכול להגדיל ביעילות את שטח הפנים הספציפי, לשפר את שטח המגע בין קולט הזרם לחומר הפעיל, לספק שטח חיץ להתרחבות והתכווצות חומר האלקטרודה השלילית, להגביר את ההידבקות כדי למנוע ניתוק של חומר האלקטרודה השלילי, ובכך לשפר את ביצועי הרכיבה של הסוללה.

המבנה הנקבובי יכול גם לדכא היווצרות של דנדריטים ליתיום במהלך מחזורי טעינה/פריקה של מתכת ליתיום, תוך התייחסות לחששות בטיחות הנובעים מהיווצרות דנדריטים.

שיטת ההכנה של רדיד נחושת נקבובי לא רק קובעת תכונות כמו מוליכות, אופי קל משקל ויכולת העמסת חומרים פעילים של המוצר הסופי, אלא גם האם השיטה פשוטה, ישימה, משתמשת בציוד בוגר, וכדאית כלכלית לייצור הם גורמי מפתח להשגת ייצור המוני.

מאמר זה מסכם את מצב המחקר של טכניקות הכנה עבור קולטי זרם נחושת נקבוביים, לרבות שיטות תבניות, סגסוגת, סינת אבקה, שיטות כימיות ואריגה של רשת נחושת, יחד עם השפעתן על ביצועי הסוללה. זה גם מספק סיכויים לפיתוח עתידי של קולטי זרם נחושת נקבובי תלת מימד.

שיטות הכנה שונות גורמות לשינויים בצורת הנקבוביות, בגודל ובנקבוביות של הנחושת הנקבובית. שיטות ההכנה העיקריות הנוכחיות כוללות: שימוש בלייזרי CO₂ ותבניות מודפסות ליצירת חורים מיקרו-דרך- ישירות בנייר נחושת; שימוש בתהליכים כמו תבניות בועות מימן או תבניות דקסטרן ליצירת קצף-כמו נקבוביות; שימוש ב-dealoying ו-sintering אבקה ליצירת נקבוביות לא סדירות; אריגה של חוטי נחושת ליצירת נקבוביות רשת; ושימוש בשיטות כימיות להכנת נקבוביות שלד סיבי על פני השטח.

צורת הנקבוביות, גודלה, נקבוביות וכו' מושפעים באופן משמעותי מתהליך ההכנה, מה שמוביל להבדלים ניכרים בביצועים.

בסוללות ליתיום-, רדיד נחושת משמש גם כמבנה התמיכה וגם כקולט הזרם של האלקטרודה השלילית. פעילות פני השטח שלו, המוליכות החשמלית, עמידות החמצון והמשקל העצמי משפיעים ישירות על מחווני הסוללה כמו צפיפות האנרגיה וביצועי רכיבה על אופניים.

עם הדרישות ההולכות וגוברות לסוללות ליתיום-, אלקטרודות שליליות חדשות כמו SiC, Sn ו-Li מתכת נחקרות רבות, ומציעות יכולות תיאורטיות העולה בהרבה על הגרפיט. עם זאת, השימוש בתשלילים החדשים הללו מציג אתגרים בולטים, כגון שינויים משמעותיים בנפח במהלך טעינה/פריקה ורגישות להיווצרות דנדריט ליתיום.

רדיד נחושת נקבובי תלת מימדי הפך לאחת הגישות לטיפול בבעיות אלו. בהשוואה לרדיד נחושת אלקטרוליטי שטוח רגיל, מחקרים רבים מראים שרדיד נחושת נקבובי תלת מימדי יכול ביעילות להקל על בעיות התרחבות/התכווצות נפח של חומרי אלקטרודה שליליים, ובכך לשפר את צפיפות האנרגיה של הסוללה ואת יכולת הקצב.

בדיקת הביצועים החשמליים של סוללות מתכת ליתיום מכוסות בקולטי זרם נחושת תלת-ממדיים גילתה שסוללות עם רדיד נחושת רגיל חוו קצר חשמלי לאחר 400 מחזורים.

זה נבע מהיווצרות ליתיום דנדריט במהלך רכיבה על אופניים, אשר ניקח את המפריד, וגרם לקצר, יחד עם היסטרזיס מתח חמור במהלך הרכיבה. לעומת זאת, סוללות מתכת ליתיום מכוסות בנייר נחושת של סוללת ליתיום תלת-ממדית לא הראו התרחשות קצרה לאחר 600 מחזורים, דבר המעיד על דיכוי משמעותי של דנדריטים ליתיום במהלך רכיבה על אופניים, הימנעות מקצרים בסוללה וכתוצאה מכך שינויי מתח אחידים יותר.

לכן, קולטי זרם נחושת תלת מימדיים יכולים לפתור ביעילות את בעיית הליתיום הדנדריט בסוללות מתכת ליתיום, מה שמספק ערובה לבטיחות לסוללות אלו.

קולטי זרם נחושת נקבובי תלת-ממדיים יכולים לטפל ביעילות בכמה בעיות מפתח המתעוררות במהלך היישום המעשי של -הדור הבא של חומרי האלקטרודה השליליים של סוללת ליתיום-יון, מה שמאפשר את היישום התעשייתי של חומרים כמו Li, Sn ו-SiC. מחקר על קולטי זרם נחושת נקבובי תלת מימד קשור קשר הדוק לביצועים של חומרי אלקטרודה שליליים.

לכן, יש צורך לבחור שיטות הכנה עבור קולטי זרם נחושת נקבובי תלת מימד שקל לתיעוש לחומרי אלקטרודה שליליים ספציפיים. מחקרים מפורטים צריכים לחקור את ההשפעה של תנאי התהליך על צורת הנקבוביות, גודל הנקבוביות של קולט זרם נחושת נקבובי תלת-ממדית ומדדי ביצועי סוללה מתאימים כגון צפיפות אנרגיה, יעילות רכיבה על אופניים וספירת מחזורים.

בהתבסס על זה, יש לפתח ציוד ייצור מלא כדי להשיג תיעוש של קולטי זרם נחושת נקבובי תלת מימד. נכון לעכשיו, רוב המחקר נשאר בשלב המחקר הבסיסי, תוך התמקדות בשאלה האם אוספי זרם הנחושת הנקבוביים התלת-ממדיים המוכנים יעילים.

מחקר מקיף מוכיח שקולטי זרם נחושת נקבוביים הם אחד הכיוונים העתידיים החשובים לפיתוח קולט זרם של רדיד נחושת.

מחקר משמעותי על שיטות הכנה עבור קולטי זרם נחושת נקבוביים בתלת מימד וחומרי אלקטרודה שליליים חדשים יניעו בהכרח את האבולוציה של סוללות ליתיום-יון. תהליך ההכנה והשיטה קובעים את שטח הפנים הספציפי, תכונות מכניות, הידבקות לחומרי אלקטרודה שליליים ומוליכות אלקטרודה שלילית של קולט זרם נחושת נקבובי תלת מימד.

ספרות קיימת חסרה-מחקר מעמיק על ההשפעה הספציפית של קולטי זרם נחושת נקבובי תלת-ממדיים על ביצועי סוללת ליתיום-יון, וחקירה של תיעוש שיטות הכנה מתאימות דורשת האצה. בעתיד, מציאת שיטות עם צריכת אנרגיה נמוכה, ציוד בוגר ויכולת מדרגיות קלה לייצור קולטי זרם נקבוביים של רדיד נחושת עם מסה נמוכה, גודל נקבוביות מתכוונן, מוליכות גבוהה ותכונות מכניות טובות היא כיוון לפיתוח חומרי אלקטרודה שליליים של סוללת ליתיום- חדשים, בעלי חשיבות משמעותית לשיפור ביצועי סוללת הליתיום-.

הפניות
תשתית הידע הלאומית של סין (CNKI)