Lithium-Ionen-Batterien, die für ihre Sicherheit, niedrige Kosten und hervorragende Leistung bekannt sind, werden häufig in tragbaren elektronischen Geräten, großen Energiespeichersystemen, Elektrofahrzeugen und anderen Bereichen eingesetzt, was sie zu hervorragenden sekundären Energiespeichergeräten macht.
Eine typische Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Anode, einer Kathode, einem Separator, einem Elektrolyten und Stromkollektoren. Gängige Anodenmaterialien sind LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄ usw., während für die Kathode hauptsächlich Graphit verwendet wird. Um Leistungsparameter wie die Energiedichte zu verbessern, wird Kathodengraphit häufig mit Materialien wie SiOₓ dotiert. In diesem Zusammenhang werden umfangreiche Forschungsarbeiten zu Materialien für Lithium--Ionenbatterien durchgeführt.
Herstellung von porösem 3D-Kupfer
Kupferfolie ist aufgrund ihrer hervorragenden Leitfähigkeit und mechanischen Eigenschaften derzeit die bevorzugte Wahl für den Stromkollektor der negativen Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien. In den letzten Jahren haben viele Forscher auch aktiv nach neuen Arten von Stromkollektoren gesucht, um der Batterieentwicklung Rechnung zu tragen.
Der Produktionsprozess für die Batterieanode umfasst das gleichmäßige Auftragen einer vorbereiteten Aufschlämmung aus aktivem Material der negativen Elektrode auf die Oberfläche der Kupferfolie, gefolgt von Trocknen, Rollen, Schlitzen und anderen Schritten, um das endgültige Produkt der negativen Elektrode zu bilden.
Daher muss Kupferfolie nicht nur die Leistungsanforderungen hinsichtlich Leitfähigkeit, Oberflächenrauheit und Glanz erfüllen, sondern auch die Verarbeitungsanforderungen hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Dehnung erfüllen. Darüber hinaus werden bei der Verwendung von negativen Elektrodenmaterialien mit hoher-Energie-Dichte wie Silizium-Kohlenstoff (SiC), Lithium (Li), Zinn (Sn) und Antimon (Sb) zusätzliche Anforderungen an die Kupferfolie gestellt, die diese Materialien trägt.
In den letzten Jahren haben viele Forscher versucht, Probleme wie Volumenänderungen und Dendritenbildung in SiC, Lithiummetall und anderen negativen Elektrodenmaterialien während des Zyklierens aus der Perspektive der Kupferfolie des Stromkollektors der negativen Elektrode zu mildern und zu lösen.
Einige Studien deuten darauf hin, dass Kupferfolie mit poröser Struktur die spezifische Oberfläche effektiv vergrößern, die Kontaktfläche zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Material vergrößern, Pufferraum für die Ausdehnung und Kontraktion des negativen Elektrodenmaterials bereitstellen, die Haftung erhöhen kann, um eine Ablösung des negativen Elektrodenmaterials zu verhindern, und dadurch die Zyklenleistung der Batterie verbessern kann.
Die poröse Struktur kann auch die Bildung von Lithiumdendriten während der Lade-/Entladezyklen von Lithiummetall unterdrücken und so Sicherheitsbedenken entgegenwirken, die sich aus der Dendritenbildung ergeben.
Die Herstellungsmethode der porösen Kupferfolie bestimmt nicht nur Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Leichtgewichtigkeit und Beladungskapazität des Endprodukts mit aktivem Material, sondern auch, ob die Methode einfach und durchführbar ist, ausgereifte Ausrüstung verwendet und für die Produktion wirtschaftlich rentabel ist, sind Schlüsselfaktoren für die Erzielung einer Massenproduktion.
Dieser Artikel fasst den Forschungsstand der Vorbereitungstechniken für Stromkollektoren aus porösem Kupfer zusammen, einschließlich Template-Methoden, Entlegierung, Pulversintern, chemische Methoden und Kupfernetzweben, sowie deren Auswirkungen auf die Batterieleistung. Es bietet auch Perspektiven für die zukünftige Entwicklung von 3D-Stromkollektoren aus porösem Kupfer.
Unterschiedliche Herstellungsmethoden führen zu Variationen in der Porenform, -größe und Porosität des porösen Kupfers. Zu den aktuellen Hauptvorbereitungsmethoden gehören: Verwendung von CO₂-Lasern und gedruckten Schablonen zur direkten Erzeugung von Mikro-Durchgangslöchern- auf Kupferfolie; Verwendung von Prozessen wie Wasserstoffblasen-Templaten oder Dextran-Templaten, um schaumartige Poren zu bilden; Einsatz von Entlegierung und Pulversintern zur Erzeugung unregelmäßiger Poren; Weben von Kupferdrähten zur Bildung von Maschenporen; und Verwendung chemischer Methoden zur Herstellung faseriger Skelettporen auf der Oberfläche.
Porenform, -größe, Porosität etc. werden maßgeblich durch den Aufbereitungsprozess beeinflusst, was zu erheblichen Leistungsunterschieden führt.
Einfluss von porösen 3D-Kupferstromkollektoren auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien
In Lithium-{0}}Ionenbatterien fungiert Kupferfolie sowohl als Stützstruktur als auch als Stromkollektor für die negative Elektrode. Seine Oberflächenaktivität, elektrische Leitfähigkeit, Oxidationsbeständigkeit und sein Eigengewicht wirken sich direkt auf Batterieindikatoren wie Energiedichte und Zyklenleistung aus.
Da die Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien steigen, werden neue negative Elektroden wie SiC-, Sn- und Li-Metall intensiv erforscht, die theoretische Kapazitäten bieten, die weit über denen von Graphit liegen. Die Verwendung dieser neuen Negative stellt jedoch große Herausforderungen dar, wie etwa erhebliche Volumenänderungen während des Ladens/Entladens und die Anfälligkeit für die Bildung von Lithiumdendriten.
Poröse 3D-Kupferfolien sind zu einem der Ansätze zur Lösung dieser Probleme geworden. Im Vergleich zu gewöhnlicher flacher elektrolytischer Kupferfolie zeigen viele Studien, dass poröse 3D-Kupferfolien Volumenausdehnungs-/-kontraktionsprobleme von negativen Elektrodenmaterialien wirksam abmildern und dadurch die Energiedichte und Geschwindigkeitsfähigkeit der Batterie verbessern können.
Sicherheitsverbesserung
Tests der elektrischen Leistung von Lithium-Metall-Batterien, die mit 3D-Skelett-Kupferstromkollektoren verkapselt waren, ergaben, dass es bei Batterien mit gewöhnlicher Kupferfolie nach 400 Zyklen zu Kurzschlüssen kam.
Dies war auf die Bildung von Lithiumdendriten während der Zyklen zurückzuführen, die den Separator durchdrangen und einen Kurzschluss sowie eine starke Spannungshysterese während der Zyklen verursachten. Im Gegensatz dazu traten bei Lithium-Metall-Batterien, die mit 3D-Lithiumbatterie-Kupferfolie verkapselt waren, nach 600 Zyklen keine Kurzschlüsse auf, was auf eine deutliche Unterdrückung von Lithiumdendriten während des Zyklierens hindeutet, Batteriekurzschlüsse vermeidet und zu gleichmäßigeren Spannungsänderungen führt.
Daher können 3D-Skelett-Kupferstromkollektoren das Lithiumdendritenproblem in Lithiummetallbatterien wirksam lösen und bieten eine Sicherheitsgarantie für diese Batterien.
3D-Stromkollektoren aus porösem Kupfer können einige wichtige Probleme, die bei der praktischen Anwendung von negativen Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien der nächsten -Generation- auftreten, effektiv angehen und die industrielle Anwendung von Materialien wie Li, Sn und SiC ermöglichen. Die Forschung an 3D-Stromkollektoren aus porösem Kupfer steht in engem Zusammenhang mit der Leistung negativer Elektrodenmaterialien.
Daher ist es notwendig, Herstellungsmethoden für poröse 3D-Kupferstromkollektoren auszuwählen, die für bestimmte negative Elektrodenmaterialien einfach zu industrialisieren sind. Detaillierte Studien sollten den Einfluss der Prozessbedingungen auf die Porenform, die Porengröße des 3D-Stromkollektors aus porösem Kupfer und entsprechende Batterieleistungsmetriken wie Energiedichte, Zykleneffizienz und Zyklenzahl untersuchen.
Auf dieser Grundlage sollten komplette Produktionsanlagen entwickelt werden, um die Industrialisierung von porösen 3D-Kupferstromkollektoren zu erreichen. Derzeit befinden sich die meisten Forschungsarbeiten noch im Stadium der Grundlagenforschung und konzentrieren sich auf die Wirksamkeit der vorbereiteten 3D-Stromkollektoren aus porösem Kupfer.
Entwicklungstrends und Aussichten für 3D-Stromkollektoren aus porösem Kupfer
Umfangreiche Untersuchungen belegen, dass poröse Kupferstromkollektoren eine der wichtigen Zukunftsrichtungen für die Entwicklung von Kupferfolien-Stromkollektoren sind.
Umfangreiche Forschung zu Herstellungsmethoden für poröse 3D-Kupferstromkollektoren und neue negative Elektrodenmaterialien werden unweigerlich die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien vorantreiben. Der Herstellungsprozess und die Methode bestimmen die spezifische Oberfläche, die mechanischen Eigenschaften, die Haftung an negativen Elektrodenmaterialien und die negative Elektrodenleitfähigkeit des porösen 3D-Kupferstromkollektors.
In der vorhandenen Literatur mangelt es an eingehender -tiefgehender Forschung zu den spezifischen Auswirkungen von porösen 3D-Kupferstromkollektoren auf die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien, und die Erforschung der Industrialisierung entsprechender Herstellungsmethoden muss beschleunigt werden. Zukünftig ist die Suche nach Methoden mit geringem Energieverbrauch, ausgereifter Ausrüstung und einfacher Skalierbarkeit zur Herstellung poröser Kupferfolien-Stromkollektoren mit geringer Masse, einstellbarer Porengröße, hoher Leitfähigkeit und guten mechanischen Eigenschaften eine Richtung für die Entwicklung neuer negativer Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien, die für die Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien von erheblicher Bedeutung sind.
Referenzen
Chinas nationale Wissensinfrastruktur (CNKI)
