S brzim razvojem novih energetskih električnih vozila i električnih zrakoplova, potražnja za produženim dometom vožnje u oba sve se više oslanja na energetski-litij-ionske baterije (LIB)

S brzim razvojem novih energetskih električnih vozila i električnih zrakoplova, potražnja za produženim dometom vožnje u oba sve se više oslanja na energetski-litij-ionske baterije (LIB).

Trenutno je u tradicionalnim tekućim baterijama ključna duljina efektivnog transportnog puta Li+ iona unutar porozne elektrode. Ova se duljina povećava s površinskim opterećenjem, izravno ograničavajući brzo-izvedbu punjenja. U industriji su predložene različite strategije, među kojima je stanjivanje elektroda jedna od glavnih metoda za poboljšanje performansi brzine, ali ova metoda dolazi na štetu gustoće energije baterije.

Polu{0}}baterije, kao krajnji cilj baterija, suočavaju se s izazovima koji nadilaze prinos i cijenu; jedno od najvećih uskih grla je rješavanje problema stvaranja litijevih dendrita. Metalni litij je anodni materijal za baterije koji najviše obećava, ali rast dendrita, visoka reaktivnost litija i povećanje volumena predstavljaju sigurnosne opasnosti za litijeve metalne baterije, ometajući praktičnu primjenu litijskih metalnih anoda u punjivim baterijama.

Obje ove glavne bolne točke trenutno upućuju na isto rješenje: pjenasti bakar. Pjenasti bakar, poznat i kao 3D bakar, novi je baterijski materijal s mnogim jedinstvenim svojstvima i prednostima. Pjenasti bakar je metalni materijal s velikim brojem ravnomjerno raspoređenih međusobno povezanih pora, koji pokazuje dobru vodljivost i duktilnost. U primjenama litij-ionskih baterija, u usporedbi s prvom-generacijom kolektora struje od bakrene folije i drugom-generacijom kompozitnih kolektora struje, kolektori od pjenastog metala predstavljaju treću generaciju. Ovaj kolektor struje treće{8}}generacije također je ključni faktor koji određuje može li Kina biti prva u svijetu koja će postići industrijalizaciju svih-solid{10}}baterija.

Prvo, pjenasti bakar, kao materijal baterije, posjeduje visoku vodljivost, što pomaže u poboljšanju učinkovitosti punjenja i pražnjenja baterije. Njegova porozna struktura povećava kontaktnu površinu između elektrode i elektrolita, čime se poboljšava gustoća energije baterije i stabilnost ciklusa. Tradicionalni kolektori struje (TCC), kao što su čvrste metalne folije uključujući Cu i Al, nemaju poroznost i nepropusni su za elektrolit. Stoga ti TCC-ovi ne olakšavaju transport Li+ i ograničavaju transport Li+ između elektroda samo na jednu stranu, ograničavajući brzo-izvedbu punjenja.

Nasuprot tome, porozni dizajn pjenastog bakra omogućuje Li+ ionima da prolaze kroz kolektor struje i kroz separator istovremeno, čime se prepolovljuje učinkovita transportna udaljenost Li+ i povećava -ograničena brzina difuzije -za četiri puta bez utjecaja na gustoću energije. Trenutačno su vodeći domaći i međunarodni visoko-proizvođači baterija proveli usporedne studije. Prema najnovijem članku Naturea, baterije koje koriste ovaj kolektor struje pokazuju visoku specifičnu energiju (276 Wh kg⁻¹) i značajne mogućnosti brzog-punjenja, radeći pri brzinama od 4 C (78,3% C/C), 6 C (70,5% C/C) i 10 C (54,3% C/C). Ovaj porozni dizajn kolektora struje kompatibilan je s postojećim procesima proizvodnje baterija i drugim brzim-strategijama punjenja, obogaćujući konfiguracije baterija i pružajući bolje ideje za projektiranje sljedećih{17}}generacija baterija.

Drugo, što se tiče najvećeg problema kod-state baterija-formiranja litijevog dendrita-velika površina bakrene pjene učinkovito proširuje područje elektroda, pružajući aktivnija mjesta za elektrokemijske reakcije. To dovodi do veće gustoće struje i kapaciteta baterije. Što je još važnije, veće reakcijsko područje znači manju jediničnu struju, što će uvelike poboljšati stvaranje litijevog dendrita. Već se naširoko koristi u kondenziranim-stanjima i-statičkim baterijama u laboratorijima vodećih proizvođača baterija.

Nadalje, bakrena pjena također ima dobru mehaničku čvrstoću i stabilnost, sposobna je izdržati stres koji nastaje tijekom ciklusa baterije, produžujući vijek trajanja baterije. Ovo je također vrlo privlačno za-state baterije.

Za svaku GWh bateriju potrebno je 700 tona bakra za 6 m bakrene folije, a kompozitni kolektor struje težak je oko 300 tona, za što je potrebno oko 250 tona bakra. Pjenasti bakar zahtijeva samo oko 100 tona. Značajno smanjenje upotrebe bakra, s obzirom na trenutna očekivanja dugoročnog-povećanja cijene bakra, ne samo da može uštedjeti puno troškova, već i značajno poboljšati gustoću energije baterije.