В связи с быстрым развитием электромобилей и электрических самолетов на новых источниках энергии потребность в увеличенном запасе хода в обоих случаях все больше зависит от энергоемких-литий-ионных аккумуляторов (LIB).

В связи с быстрым развитием электромобилей и электрических самолетов на новых источниках энергии потребность в увеличенном запасе хода в обоих случаях все больше зависит от энергоемких литий-ионных-батарей (LIB).

В настоящее время в традиционных жидкостных батареях решающее значение имеет эффективная длина пути транспорта ионов Li+ внутри пористого электрода. Эта длина увеличивается с увеличением нагрузки на площадь, что напрямую ограничивает производительность быстрой-зарядки. В отрасли были предложены различные стратегии, среди которых утончение электродов является одним из основных методов улучшения скоростных характеристик, но этот метод достигается за счет плотности энергии батареи.

Твердотельные-батареи, как конечная цель батарей, сталкиваются с проблемами, выходящими за рамки производительности и стоимости; Одним из самых больших узких мест является решение проблемы образования дендритов лития. Металлический литий является наиболее перспективным анодным материалом для батарей, но рост дендритов, высокая реакционная способность лития и объемное расширение создают угрозу безопасности для литий-металлических батарей, препятствуя практическому применению литий-металлических анодов в перезаряжаемых батареях.

Обе эти основные проблемы в настоящее время указывают на одно и то же решение: вспененную медь. Пенистая медь, также известная как 3D-медь, представляет собой новый аккумуляторный материал, обладающий множеством уникальных свойств и преимуществ. Пенистая медь представляет собой металлический материал с большим количеством равномерно распределенных между собой пор, обладающий хорошей проводимостью и пластичностью. В литий-ионных аккумуляторах, по сравнению с токосъемниками из медной фольги первого-поколения и композитными токосъемниками второго-поколения, токосъемники из вспененного металла представляют третье поколение. Токосъемник третьего-поколения также является ключевым фактором, определяющим, сможет ли Китай первым в мире добиться индустриализации всех-твердотельных-батарей.

Во-первых, вспененная медь как аккумуляторный материал обладает высокой проводимостью, что помогает повысить эффективность заряда и разряда аккумулятора. Его пористая структура увеличивает площадь контакта между электродом и электролитом, тем самым улучшая плотность энергии аккумулятора и стабильность цикла. Традиционные токоприемники (TCC), такие как твердая металлическая фольга, включая медь и алюминий, не имеют пористости и непроницаемы для электролита. Следовательно, эти TCC не способствуют транспортировке Li+ и ограничивают транспорт Li+ между электродами только с одной стороны, ограничивая производительность быстрой-зарядки.

Напротив, пористая конструкция вспененной меди позволяет ионам Li+ проходить как через токосъемник, так и через сепаратор одновременно, тем самым вдвое сокращая эффективное расстояние транспортировки Li+ и увеличивая диффузионную -ограниченную скорость C- в четыре раза, не влияя на плотность энергии. В настоящее время ведущие отечественные и международные производители высокоэффективных аккумуляторов-проводят сравнительные исследования. Согласно последней статье журнала Nature, батареи, в которых используется этот токосъемник, демонстрируют высокую удельную энергию (276 Вт·ч кг⁻¹) и значительную возможность быстрой-зарядки, работая со скоростями 4 C (78,3 % C/C), 6 C (70,5 % C/C) и 10 C (54,3 % C/C). Эта конструкция пористого токосъемника совместима с существующими процессами производства аккумуляторов и другими стратегиями быстрой-зарядки, расширяя конфигурации аккумуляторов и предлагая лучшие идеи для разработки аккумуляторов следующего-поколения.

Во-вторых, что касается самой большой проблемы в твердотельных-батареях-образовании дендритов лития-, большая площадь поверхности медной пены эффективно увеличивает площадь электрода, обеспечивая больше активных мест для электрохимических реакций. Это приводит к более высокой плотности тока и емкости аккумулятора. Что еще более важно, большая площадь реакции означает меньший удельный ток, что значительно улучшит образование дендритов лития. Он уже широко используется в конденсированных-и твердотельных-батареях в лабораториях ведущих производителей аккумуляторов.

Кроме того, медная пена также обладает хорошей механической прочностью и стабильностью, способна выдерживать нагрузки, возникающие во время циклической работы батареи, что продлевает срок ее службы. Это также очень привлекательно для твердотельных-батарей.

Для каждой батареи ГВтч требуется 700 тонн меди на 6 м медной фольги, а композитный токосъемник весит около 300 тонн, на что требуется около 250 тонн меди. Пеномеди требуется всего около 100 тонн. Значительное сокращение использования меди, учитывая текущие ожидания долгосрочного-роста цен на медь, может не только сэкономить много средств, но и значительно улучшить плотность энергии батареи.