S brzim razvojem novih energetskih električnih vozila i električnih aviona, potražnja za produženim dometom vožnje u oba se sve više oslanja na energetski{0}}guste litijum-ionske baterije (LIB)

S brzim razvojem novih energetskih električnih vozila i električnih aviona, potražnja za produženim dometom vožnje u oba se sve više oslanja na energetski{0}}guste litijum{1}}ionske baterije (LIB).

Trenutno, u tradicionalnim tečnim baterijama, efektivna dužina transportnog puta Li+ jona unutar porozne elektrode je ključna. Ova dužina se povećava sa površinskim opterećenjem, direktno ograničavajući performanse brzog-punjenja. U industriji su predložene različite strategije, među kojima je stanjivanje elektroda jedna od glavnih metoda za poboljšanje performansi brzine, ali ova metoda dolazi po cijenu gustine energije baterije.

Solid-state baterije, kao krajnji cilj baterija, suočavaju se s izazovima izvan prinosa i troškova; jedno od najvećih uskih grla je rješavanje problema stvaranja litijum dendrita. Litijum metal je anodni materijal koji najviše obećava za baterije, ali rast dendrita, visoka reaktivnost litijuma i proširenje zapremine predstavljaju bezbednosne opasnosti za litijum metalne baterije, ometajući praktičnu primenu litijum metalnih anoda u punjivim baterijama.

Obje ove glavne bolne točke trenutno upućuju na isto rješenje: pjenasti bakar. Penasti bakar, poznat i kao 3D bakar, novi je materijal za baterije sa mnogim jedinstvenim svojstvima i prednostima. Penasti bakar je metalni materijal sa velikim brojem ravnomerno raspoređenih međusobno povezanih pora, koji pokazuje dobru provodljivost i duktilnost. U primjenama litijum{4}}jonskih baterija, u poređenju sa kolektorima struje od bakarne folije prve-generacije i kompozitnim strujnim kolektorima druge-generacije, strujni kolektori od pjenastog metala predstavljaju treću generaciju. Ovaj kolektor struje treće-generacije je također ključni faktor koji određuje može li Kina biti prva u svijetu koja će postići industrijalizaciju svih-čvrstih{10}}baterija.

Prvo, pjenasti bakar, kao materijal za baterije, posjeduje visoku provodljivost, što pomaže u poboljšanju efikasnosti punjenja i pražnjenja baterije. Njegova porozna struktura povećava površinu kontakta između elektrode i elektrolita, čime se poboljšava gustina energije baterije i stabilnost ciklusa. Tradicionalni kolektori struje (TCC), kao što su čvrste metalne folije uključujući Cu i Al, nemaju poroznost i nepropusni su za elektrolit. Stoga, ovi TCC-ovi ne olakšavaju transport Li+ i ograničavaju transport Li+ između elektroda samo na jednu stranu, ograničavajući performanse brzog-punjenja.

Nasuprot tome, porozni dizajn pjenastog bakra omogućava Li+ jonima da istovremeno prolaze i kroz strujni kolektor i separator, čime se prepolovi efektivna udaljenost Li+ transporta i poveća performanse brzine difuzije -ograničene C- za četiri puta bez uticaja na gustinu energije. Trenutno, vodeći domaći i međunarodni proizvođači visokoefikasnih{5}}baterija su sproveli uporedne studije. Prema najnovijem članku Nature, baterije koje koriste ovaj kolektor struje pokazuju visoku specifičnu energiju (276 Wh kg⁻¹) i značajne mogućnosti brzog-punjenja, radeći pri brzinama od 4 C (78,3% C/C), 6 C (70,5% C/C) i 10 C (54,3% C/C). Ovaj porozni dizajn kolektora struje kompatibilan je sa postojećim procesima proizvodnje baterija i drugim brzim{16}}strategijama punjenja, obogaćujući konfiguracije baterija i pružajući bolje ideje za dizajniranje baterija sljedeće{17}}generacije.

Drugo, što se tiče najvećeg problema u čvrstim-baterijama-formiranju litijum dendrita-velika površina bakrene pjene efikasno proširuje područje elektrode, osiguravajući aktivnija mjesta za elektrohemijske reakcije. To dovodi do veće gustine struje i kapaciteta baterije. Što je još važnije, veća reakciona površina znači manju jediničnu struju, što će uvelike poboljšati formiranje litijum dendrita. Već se široko koristi u kondenzovanim-i čvrstim-baterijama u laboratorijama vodećih proizvođača baterija.

Nadalje, bakrena pjena također ima dobru mehaničku čvrstoću i stabilnost, sposobnu izdržati naprezanje nastalo tokom ciklusa baterije, produžavajući vijek trajanja baterije. Ovo je također vrlo atraktivno za čvrste-baterije.

Za svaku GWh bateriju potrebno je 700 tona bakra za 6m bakarne folije, a kompozitni strujni kolektor je težak oko 300 tona, za oko 250 tona bakra. Za pjenasti bakar potrebno je samo oko 100 tona. Značajno smanjenje upotrebe bakra, s obzirom na trenutna očekivanja dugotrajnog-poskupljenja bakra, može ne samo uštedjeti mnogo troškova, već i značajno poboljšati gustinu energije baterije.