Rannsóknir á þrívíddar gljúpri koparþynnu fyrir litíum-jónarafhlöður

Lithium-jónarafhlöður, þekktar fyrir öryggi, lágan kostnað og framúrskarandi frammistöðu, eru mikið notaðar í flytjanlegum rafeindatækjum, stórum-orkugeymslukerfum, rafknúnum farartækjum og öðrum sviðum, sem gera þær að framúrskarandi aukaorkugeymslutækjum.

Dæmigerð litíum-jónarafhlaða samanstendur af rafskauti, bakskauti, skilju, raflausn og straumsöfnurum. Algeng rafskautsefni eru LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄, osfrv., en grafít er fyrst og fremst notað fyrir bakskautið. Til að bæta frammistöðubreytur eins og orkuþéttleika er bakskautsgrafít oft dópað með efnum eins og SiOₓ. Umfangsmiklar rannsóknir á efni fyrir litíum-jónarafhlöður eru gerðar í þessu samhengi.

Koparþynnur, með framúrskarandi leiðni og vélrænni eiginleika, er í augnablikinu ákjósanlegur kostur fyrir neikvæða rafskautstraumsafnarann ​​í litíum-jónarafhlöðum. Á undanförnum árum hafa margir vísindamenn einnig verið virkir að leita að nýjum gerðum núverandi safnara til að mæta rafhlöðuþróun.

Framleiðsluferlið fyrir rafskaut rafhlöðunnar felur í sér að húðun á tilbúinni slurry af virku efni með neikvæðu rafskauti er jafnt á koparþynnuyfirborðið, fylgt eftir með þurrkun, rúllingu, riftun og öðrum skrefum til að mynda lokaafurðina fyrir neikvæða rafskaut.

Þess vegna verður koparþynna ekki aðeins að uppfylla frammistöðukröfur um leiðni, yfirborðsgrófleika og gljáa heldur einnig að uppfylla vinnslukröfur varðandi vélræna eiginleika eins og togstyrk og lengingu. Ennfremur, með beitingu á-orku-þéttleika neikvæðum rafskautsefnum eins og sílikon-kolefni (SiC), litíum (Li), tin (Sn) og antímon (Sb), eru frekari kröfur gerðar til koparþynnunnar sem styður þessi efni.

Á undanförnum árum hafa margir vísindamenn reynt að draga úr og leysa vandamál eins og rúmmálsbreytingar og dendrítmyndun í SiC, litíummálmi og öðrum neikvæðum rafskautsefnum við hjólreiðar frá sjónarhóli neikvæðu rafskautsstraumsafnarans koparþynnu.

Sumar rannsóknir benda til þess að koparþynnur með gljúpri uppbyggingu geti í raun aukið tiltekið yfirborðsflatarmál, aukið snertiflöturinn milli straumsafnarans og virka efnisins, veitt biðminni fyrir stækkun og samdrátt neikvæða rafskautsefnisins, aukið viðloðun til að koma í veg fyrir að neikvæða rafskautsefnið losni og þar með bætt hjólreiðaframmistöðu rafhlöðunnar.

Gljúpa uppbyggingin getur einnig bælt myndun litíumdendríta meðan á hleðslu/losunarferlum litíummálms stendur, til að takast á við öryggisvandamál sem stafa af myndun dendríts.

Undirbúningsaðferð gljúprar koparþynnu ákvarðar ekki aðeins eiginleika eins og leiðni, létt eðli og virka efnishleðslugetu lokaafurðarinnar heldur einnig hvort aðferðin sé einföld, framkvæmanleg, notar þroskaðan búnað og er efnahagslega hagkvæm fyrir framleiðslu eru lykilatriði til að ná fjöldaframleiðslu.

Þessi grein dregur saman rannsóknarstöðu undirbúningsaðferða fyrir gljúpa koparstraumsafnara, þar á meðal sniðmátaðferðir, málmblöndun, duftsintun, efnafræðilegar aðferðir og koparnetvefnað, ásamt áhrifum þeirra á rafhlöðuafköst. Það veitir einnig möguleika á framtíðarþróun þrívíddar porous koparstraumsafnara.

Mismunandi undirbúningsaðferðir leiða til breytileika í poreformi, stærð og porosity á gljúpa koparnum. Núverandi helstu undirbúningsaðferðir eru: að nota CO₂ leysira og prentuð sniðmát til að búa beint til ör-í gegnum- göt á koparþynnu; að nota ferli eins og vetnisbólusniðmát eða dextransniðmát til að mynda froðu -eins og svitahola; nota afblöndun og duftsun til að búa til óreglulegar svitaholur; vefnaður koparvíra til að mynda möskvahola; og nota efnafræðilegar aðferðir til að undirbúa trefjabeinagrindarholur á yfirborðinu.

Form svitahola, stærð, porosity o.s.frv., eru undir verulegum áhrifum af undirbúningsferlinu, sem leiðir til talsverðs munar á frammistöðu.

Í litíum-jónarafhlöðum virkar koparþynnur bæði sem stoðbygging og straumsafnari fyrir neikvæða rafskautið. Yfirborðsvirkni þess, rafleiðni, oxunarviðnám og eigin þyngd hafa bein áhrif á rafhlöðuvísa eins og orkuþéttleika og hjólreiðaframmistöðu.

Með auknum kröfum um litíum-jónarafhlöður er verið að rannsaka nýjar neikvæðar rafskaut eins og SiC, Sn og Li málm mikið og bjóða upp á fræðilega getu sem er langt umfram grafít. Hins vegar veldur notkun þessara nýju neikvæðu efna áberandi áskoranir, svo sem verulegar rúmmálsbreytingar við hleðslu/hleðslu og næmi fyrir litíumdendrítmyndun.

3D porous koparþynna hefur orðið ein af aðferðunum til að takast á við þessi mál. Í samanburði við venjulega flata rafgreiningu koparþynnu sýna margar rannsóknir að 3D porous koparþynna getur í raun dregið úr rúmmálstækkun/samdráttarvandamálum neikvæðra rafskautsefna og þar með bætt orkuþéttleika rafhlöðunnar og hraðagetu.

Prófanir á rafmagnsgetu litíum málm rafhlöður umluktar 3D beinagrind kopar straum safnara leiddi í ljós að rafhlöður með venjulegri kopar filmu urðu fyrir skammhlaupi eftir 400 lotur.

Þetta var vegna litíumdendrítmyndunar við hjólreiðar, sem skarst í gegnum skiljuna, sem olli skammhlaupinu, ásamt alvarlegri spennuhömlun við hjólreiðar. Aftur á móti sýndu litíum málmrafhlöður, hjúpaðar með 3D litíum rafhlöðu koparþynnu, engin skammhlaup eftir 600 lotur, sem gefur til kynna verulega bælingu á litíum dendritum meðan á hjólum stendur, forðast skammhlaup rafhlöðunnar og leiddi til jafnari spennubreytinga.

Þess vegna geta þrívíddar beinagrind koparstraumsafnarar í raun leyst litíum dendrit vandamálið í litíum málm rafhlöðum, sem veitir öryggisábyrgð fyrir þessar rafhlöður.

3D porous koparstraumsafnarar geta á áhrifaríkan hátt tekist á við nokkur lykilvandamál sem koma upp við hagnýtingu næstu-kynslóðar litíum-rafhlöðu neikvæðra rafskautaefna, sem gerir iðnaðarnotkun efna eins og Li, Sn og SiC mögulega. Rannsóknir á 3D gljúpum koparstraumsöfnurum eru nátengdar frammistöðu neikvæðra rafskautaefna.

Þess vegna er nauðsynlegt að velja undirbúningsaðferðir fyrir þrívíddar porous koparstraumsafnara sem auðvelt er að iðnvæða fyrir sérstök neikvæð rafskautsefni. Ítarlegar rannsóknir ættu að kanna áhrif vinnsluaðstæðna á svitaholaform, svitaholastærð þrívíddar porous koparstraumsafnarans og samsvarandi afköst rafhlöðumælinga eins og orkuþéttleika, hjólreiðar skilvirkni og hringrásarfjölda.

Byggt á þessu ætti að þróa fullkominn framleiðslubúnað til að ná fram iðnvæðingu 3D porous koparstraumsafnara. Eins og er eru flestar rannsóknir áfram á grunnrannsóknarstigi, með áherslu á hvort tilbúnir 3D porous koparstraumsafnarar séu árangursríkir.

Umfangsmiklar rannsóknir sanna að gljúpir koparstraumsafnarar eru ein mikilvægasta framtíðarstefnan fyrir þróun koparþynnustraumsafnara.

Mikilvægar rannsóknir á undirbúningsaðferðum fyrir þrívíddar porous koparstraumsafnara og ný neikvæð rafskautsefni munu óhjákvæmilega knýja áfram þróun litíum-jónarafhlöðna. Undirbúningsferlið og aðferðin ákvarða tiltekið yfirborð, vélrænni eiginleika, viðloðun við neikvæð rafskautsefni og neikvæð rafskautsleiðni 3D porous koparstraumsafnarans.

Núverandi bókmenntir skortir ítarlegar-dýptar rannsóknir á sérstökum áhrifum þrívíddar porous koparstraumsafnara á afköst litíum-rafhlöðu og könnun á iðnvæðingu samsvarandi undirbúningsaðferða þarf að hraða. Í framtíðinni, að finna aðferðir með lítilli orkunotkun, þroskaðan búnað og auðveldan sveigjanleika til að framleiða porous koparþynnustraumsafnara með lágan massa, stillanlega porastærð, mikla leiðni og góða vélræna eiginleika er leið til að þróa ný litíum-rafhlöðu neikvæð rafskautsefni, sem hefur verulegu máli til að auka afköst litíumrafhlöðunnar-.

Heimildir
Þjóðþekkingarinnviðir í Kína (CNKI)