Litiumioniakkuja, jotka tunnetaan turvallisuudestaan, alhaisista kustannuksistaan ja erinomaisesta suorituskyvystään, käytetään laajalti kannettavissa elektronisissa laitteissa, suurissa-energian varastointijärjestelmissä, sähköajoneuvoissa ja muilla aloilla, mikä tekee niistä erinomaisia toissijaisia energian varastointilaitteita.
Tyypillinen litium{0}}ioni-akku koostuu anodista, katodista, erottimesta, elektrolyytistä ja virran kerääjistä. Yleisiä anodimateriaaleja ovat LiNiMnCoO2, LiFePO4, LiCoO2, LiMn2O4 jne., kun taas grafiittia käytetään pääasiassa katodina. Suorituskykyparametrien, kuten energiatiheyden, parantamiseksi katodigrafiitti seostetaan usein materiaaleilla, kuten SiOₓ. Tässä yhteydessä tehdään laajaa tutkimusta litiumioniakkujen materiaaleista.
3D-huokoisen kuparin valmistus
Kuparifolio erinomaisella johtavuudellaan ja mekaanisine ominaisuuksineen on tällä hetkellä ensisijainen valinta litiumioniakkujen negatiivisen elektrodin virrankerääjäksi. Viime vuosina monet tutkijat ovat myös aktiivisesti etsineet uudentyyppisiä virrankerääjiä akkukehitykseen.
Akun anodin valmistusprosessi käsittää negatiivisen elektrodin aktiivisen materiaalin valmistetun lietteen tasaisen pinnoittamisen kuparikalvon pinnalle, mitä seuraa kuivaus, rullaus, leikkaus ja muut vaiheet lopullisen negatiivisen elektrodin tuotteen muodostamiseksi.
Siksi kuparifolion tulee täyttää johtavuuden, pinnan karheuden ja kiillon suorituskykyvaatimukset, mutta myös mekaanisten ominaisuuksien, kuten vetolujuuden ja venymän, käsittelyvaatimukset. Lisäksi käytettäessä suuri-energisiä-negatiivisia elektrodimateriaaleja, kuten pii-hiiltä (SiC), litiumia (Li), tinaa (Sn) ja antimonia (Sb), näitä materiaaleja tukevalle kuparikalvolle asetetaan lisävaatimuksia.
Viime vuosina monet tutkijat ovat yrittäneet lieventää ja ratkaista ongelmia, kuten tilavuuden muutoksia ja dendriitin muodostumista piikarbidissa, litiummetallissa ja muissa negatiivisissa elektrodimateriaaleissa pyöräilyn aikana negatiivisen elektrodin virrankeräimen kuparikalvon näkökulmasta.
Jotkut tutkimukset osoittavat, että huokoinen kuparifolio voi tehokkaasti lisätä ominaispinta-alaa, parantaa kosketuspinta-alaa virrankerääjän ja aktiivisen materiaalin välillä, tarjota puskuritilaa negatiivisen elektrodimateriaalin laajentumiselle ja supistumiselle, lisätä tarttuvuutta negatiivisen elektrodimateriaalin irtoamisen estämiseksi ja parantaa siten akun pyöräilykykyä.
Huokoinen rakenne voi myös estää litiumdendriitin muodostumista litiummetallin lataus-/purkaussyklien aikana, mikä ratkaisee dendriitin muodostumisesta aiheutuvia turvallisuusongelmia.
Huokoisen kuparifolion valmistusmenetelmä ei ratkaise ainoastaan lopputuotteen ominaisuuksia, kuten johtavuutta, keveyttä ja aktiivisen materiaalin kuormituskykyä, vaan myös se, onko menetelmä yksinkertainen, käyttökelpoinen, kypsiä laitteita käyttävä ja taloudellisesti kannattava tuotantoon, ovat keskeisiä tekijöitä massatuotannon saavuttamiseksi.
Tässä artikkelissa esitetään yhteenveto huokoisten kuparivirran kerääjien valmistustekniikoiden tutkimustilanteesta, mukaan lukien mallimenetelmät, seostus, jauhesintraus, kemialliset menetelmät ja kupariverkkokudonta, sekä niiden vaikutus akun suorituskykyyn. Se tarjoaa myös mahdollisuuksia 3D-huokoisten kuparivirrankeräinten tulevaan kehittämiseen.
Eri valmistusmenetelmät johtavat vaihteluihin huokoisen kuparin huokosmuodossa, koossa ja huokoisuudessa. Nykyisiä tärkeimpiä valmistusmenetelmiä ovat: CO₂-laserien ja tulostettujen mallien käyttö mikro-läpivientien-reikien luomiseen kuparifolioon; käyttämällä prosesseja, kuten vetykuplamalleja tai dekstraanimalleja vaahto{3}}kaltaisten huokosten muodostamiseksi; käyttämällä seostusta ja jauhesintrausta epäsäännöllisten huokosten luomiseksi; kuparilankojen kudonta verkkohuokosten muodostamiseksi; ja käyttämällä kemiallisia menetelmiä kuiturungon huokosten valmistamiseksi pinnalle.
Valmistusprosessi vaikuttaa merkittävästi huokosten muotoon, kokoon, huokoisuuteen jne., mikä johtaa merkittäviin suorituskykyeroihin.
3D-huokoisten kuparivirran kerääjien vaikutus litium-ioni-akun suorituskykyyn
Litium{0}}ioni-akuissa kuparifolio toimii sekä tukirakenteena että virran kerääjänä negatiiviselle elektrodille. Sen pinta-aktiivisuus, sähkönjohtavuus, hapettumisvastus ja oma paino vaikuttavat suoraan akun indikaattoreihin, kuten energiatiheyteen ja pyöräilyn suorituskykyyn.
Litium{0}}ioni-akkujen kasvavan kysynnän vuoksi uusia negatiivisia elektrodeja, kuten SiC-, Sn- ja Li-metallia, tutkitaan laajasti, ja niiden teoreettinen kapasiteetti ylittää huomattavasti grafiitin. Näiden uusien negatiivien käyttö aiheuttaa kuitenkin huomattavia haasteita, kuten merkittäviä tilavuuden muutoksia varauksen/purkauksen aikana ja alttiutta litiumdendriitin muodostumiselle.
3D-huokoisesta kuparifoliosta on tullut yksi tapa ratkaista näitä ongelmia. Verrattuna tavalliseen litteään elektrolyyttiseen kuparifolioon, monet tutkimukset osoittavat, että 3D-huokoinen kuparikalvo voi tehokkaasti lieventää negatiivisten elektrodien materiaalien tilavuuden laajenemis-/kutistumisongelmia, mikä parantaa akun energiatiheyttä ja nopeuskykyä.
Turvallisuuden parantaminen
3D-runkokuparivirrankerääjiin kapseloitujen litiummetalliakkujen sähköisen suorituskyvyn testaus paljasti, että tavallisella kuparifoliolla varustetut akut kokivat oikosulkuja 400 syklin jälkeen.
Tämä johtui litiumdendriitin muodostumisesta pyöräilyn aikana, joka lävisti erottimen aiheuttaen oikosulun sekä vakavasta jännitehystereesistä pyöräilyn aikana. Sitä vastoin litiummetalliparistot, jotka on kapseloitu 3D-litiumpariston kuparikalvoon, eivät osoittaneet oikosulkua 600 jakson jälkeen, mikä osoitti litiumdendriitin merkittävää tukahduttamista pyöräilyn aikana, välttäen akun oikosulkuja ja johtaen tasaisempiin jännitteen muutoksiin.
Siksi 3D-runkokuparivirrankerääjät voivat tehokkaasti ratkaista litiumdendriittiongelman litiummetalliakuissa, mikä takaa näiden akkujen turvallisuuden.
3D-huokoiset kupariset virrankerääjät voivat ratkaista tehokkaasti joitain keskeisiä ongelmia, jotka syntyvät seuraavan-sukupolven litium--ioniakkujen negatiivisten elektrodimateriaalien käytön aikana, mikä mahdollistaa Li:n, Sn:n ja SiC:n kaltaisten materiaalien teollisen käytön. 3D-huokoisten kuparivirrankeräinten tutkimus liittyy läheisesti negatiivisten elektrodien materiaalien suorituskykyyn.
Siksi on tarpeen valita 3D-huokoisille kuparivirrankeräilijöille valmistusmenetelmät, jotka on helppo teollistaa tietyille negatiivisille elektrodimateriaaleille. Yksityiskohtaisissa tutkimuksissa tulisi tutkia prosessiolosuhteiden vaikutusta huokosmuotoon, 3D-huokoisen kuparivirran kerääjän huokoskokoon ja vastaaviin akun suorituskykymittauksiin, kuten energiatiheyteen, kiertotehokkuuteen ja syklien määrään.
Tämän perusteella tulisi kehittää kokonaisia tuotantolaitteita 3D-huokoisten kuparivirrankeräinten teollistumiseksi. Tällä hetkellä suurin osa tutkimuksesta on vielä perustutkimusvaiheessa, jossa keskitytään siihen, ovatko valmistetut 3D-huokoiset kuparivirrankerääjät tehokkaita.
3D-huokoisten kuparivirrankeräinten kehitystrendit ja -näkymät
Laaja tutkimus osoittaa, että huokoiset kuparivirtakeräimet ovat yksi tärkeimmistä tulevaisuuden suunnasta kuparifoliovirrankeräinten kehittämisessä.
Merkittävä tutkimus 3D-huokoisten kuparivirrankeräinten valmistusmenetelmistä ja uusista negatiivisten elektrodien materiaaleista ohjaa väistämättä litiumioniakkujen kehitystä. Valmistusprosessi ja menetelmä määrittelevät 3D-huokoisen kuparivirran kerääjän ominaispinta-alan, mekaaniset ominaisuudet, tarttuvuuden negatiivisiin elektrodimateriaaleihin ja negatiivisen elektrodin johtavuuden.
Nykyisestä kirjallisuudesta puuttuu -syvällinen tutkimus 3D-huokoisten kuparivirrankeräinten erityisestä vaikutuksesta litium-ioni-ioniakun suorituskykyyn, ja vastaavien valmistusmenetelmien teollistamista on nopeutettava. Tulevaisuudessa menetelmien löytäminen alhaisella energiankulutuksella, kypsillä laitteilla ja helposti skaalautuvilla huokoisten kuparifoliovirrankeräinten valmistamiseksi, joilla on pieni massa, viritettävä huokoskoko, korkea johtavuus ja hyvät mekaaniset ominaisuudet, on suunta uusien litium-ioniakun negatiivisten elektrodimateriaalien kehittämiseen, mikä on erittäin tärkeää litiumioniakun suorituskyvyn parantamiselle.
Viitteet
Kiinan kansallinen tietoinfrastruktuuri (CNKI)
