Wraz z szybkim rozwojem nowych pojazdów elektrycznych i samolotów elektrycznych zapotrzebowanie na większy zasięg w obu przypadkach w coraz większym stopniu opiera się na energetycznie-gęstych-akumulatorach litowo-jonowych (LIB)

Wraz z szybkim rozwojem nowych pojazdów elektrycznych i samolotów elektrycznych zapotrzebowanie na większy zasięg w obu przypadkach w coraz większym stopniu opiera się na-energooszczędnych akumulatorach litowo-jonowych (LIB).

Obecnie w tradycyjnych akumulatorach płynnych kluczowa jest efektywna długość drogi transportu jonów Li+ w obrębie porowatej elektrody. Długość ta zwiększa się wraz z obciążeniem powierzchni, bezpośrednio ograniczając wydajność szybkiego-ładowania. W branży zaproponowano różne strategie, wśród których jedną z głównych metod poprawy wydajności jest pocienianie elektrody, ale metoda ta odbywa się kosztem gęstości energii akumulatora.

Baterie półprzewodnikowe, jako ostateczny cel baterii, stoją przed wyzwaniami wykraczającymi poza wydajność i koszt; jednym z największych wąskich gardeł jest rozwiązanie problemu tworzenia się dendrytów litu. Lit-metal jest najbardziej obiecującym materiałem anodowym do akumulatorów, lecz wzrost dendrytów, wysoka reaktywność litu i zwiększanie objętości stwarzają zagrożenie dla bezpieczeństwa akumulatorów litowo-metalowych, utrudniając praktyczne zastosowanie anod litowo-metalowych w akumulatorach.

Obydwa główne problemy wskazują obecnie na to samo rozwiązanie: spienioną miedź. Spieniona miedź, znana również jako miedź 3D, to nowy materiał akumulatorowy o wielu unikalnych właściwościach i zaletach. Miedź spieniona jest materiałem metalicznym o dużej liczbie równomiernie rozmieszczonych, wzajemnie połączonych porów, charakteryzującym się dobrą przewodnością i ciągliwością. W zastosowaniach związanych z akumulatorami litowo-jonowymi, w porównaniu z kolektorami prądu-z folii miedzianej pierwszej generacji i kolektorami prądu z kompozytu drugiej-generacji, kolektory prądu ze spienionego metalu reprezentują trzecią generację. Odbierak prądu-trzeciej generacji jest również kluczowym czynnikiem decydującym o tym, czy Chiny mogą jako pierwsze na świecie osiągnąć uprzemysłowienie wszystkich-baterii półprzewodnikowych-.

Po pierwsze, spieniona miedź jako materiał akumulatora charakteryzuje się wysoką przewodnością, co pomaga poprawić wydajność ładowania i rozładowywania akumulatora. Jego porowata struktura zwiększa powierzchnię styku elektrody z elektrolitem, poprawiając w ten sposób gęstość energii akumulatora i stabilność cyklu. Tradycyjne kolektory prądu (TCC), takie jak folie z litego metalu, w tym Cu i Al, nie mają porowatości i są nieprzepuszczalne dla elektrolitu. Dlatego te TCC nie ułatwiają transportu Li+ i ograniczają transport Li+ między elektrodami tylko z jednej strony, ograniczając wydajność szybkiego-ładowania.

Natomiast porowata konstrukcja spienionej miedzi pozwala jonom Li+ na jednoczesne przejście przez kolektor prądu i separator, zmniejszając w ten sposób o połowę efektywną odległość transportu Li+ i czterokrotnie zwiększając wydajność dyfuzji-ograniczonego współczynnika C- bez wpływu na gęstość energii. Obecnie czołowi krajowi i międzynarodowi producenci-baterii o wysokiej wydajności przeprowadzili badania porównawcze. Według najnowszego artykułu w Nature akumulatory wykorzystujące ten kolektor prądu charakteryzują się wysoką energią właściwą (276 Wh kg⁻¹) i znacznymi możliwościami-szybkiego ładowania przy szybkościach 4 C (78,3% C/C), 6 C (70,5% C/C) i 10 C (54,3% C/C). Ten porowaty kolektor prądu jest zgodny z istniejącymi procesami produkcji akumulatorów i innymi strategiami szybkiego-ładowania, wzbogacając konfiguracje akumulatorów i dostarczając lepszych pomysłów na projektowanie akumulatorów nowej-generacji.

Po drugie, jeśli chodzi o największy problem w-akumulatorach półprzewodnikowych-tworzeniu dendrytu litowego-, duża powierzchnia pianki miedzianej skutecznie rozszerza obszar elektrody, zapewniając więcej aktywnych miejsc dla reakcji elektrochemicznych. Prowadzi to do większej gęstości prądu i pojemności akumulatora. Co ważniejsze, większy obszar reakcji oznacza mniejszy prąd jednostkowy, co znacznie poprawi tworzenie dendrytu litu. Jest już szeroko stosowany w akumulatorach-skondensowanych i półprzewodnikowych-w laboratoriach wiodących producentów akumulatorów.

Co więcej, pianka miedziana ma również dobrą wytrzymałość mechaniczną i stabilność, jest w stanie wytrzymać naprężenia powstające podczas cyklu pracy akumulatora, wydłużając jego żywotność. Jest to również bardzo atrakcyjne w przypadku-baterii półprzewodnikowych.

Na każdy akumulator GWh potrzeba 700 ton miedzi na 6 m folii miedzianej, a kompozytowy odbierak prądu waży około 300 ton, co wymaga około 250 ton miedzi. Spieniona miedź wymaga jedynie około 100 ton. Znaczące zmniejszenie zużycia miedzi, biorąc pod uwagę obecne oczekiwania-długoterminowych wzrostów cen miedzi, może nie tylko zaoszczędzić wiele kosztów, ale także znacząco poprawić gęstość energii akumulatora.