Litiy-Ion batareyalari uchun 3D gözenekli mis folga ustida tadqiqot

Xavfsizligi, arzonligi va mukammal ishlashi bilan mashhur lityum{0}}ion batareyalar portativ elektron qurilmalarda, katta hajmdagi energiya saqlash tizimlarida, elektr transport vositalarida va boshqa sohalarda keng qoʻllaniladi va bu ularni ikkinchi darajali energiya saqlash qurilmalariga aylantiradi.

Oddiy litiy{0}}ionli akkumulyator anod, katod, ajratuvchi, elektrolit va oqim kollektorlaridan iborat. Umumiy anod materiallari LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄ va boshqalarni o'z ichiga oladi, grafit asosan katod uchun ishlatiladi. Energiya zichligi kabi ishlash parametrlarini yaxshilash uchun katod grafit ko'pincha SiOₓ kabi materiallar bilan qo'shiladi. Ushbu kontekstda lityum{5}}ionli batareyalar uchun materiallar bo'yicha keng qamrovli tadqiqotlar olib borilmoqda.

Ajoyib o'tkazuvchanligi va mexanik xususiyatlariga ega mis folga hozirda litiy{0}}ionli batareyalardagi salbiy elektrod tok kollektori uchun afzal qilingan tanlovdir. So'nggi yillarda ko'plab tadqiqotchilar akkumulyator ishlab chiqarishni ta'minlash uchun yangi turdagi oqim kollektorlarini ham faol ravishda qidirmoqdalar.

Batareya anodini ishlab chiqarish jarayoni manfiy elektrod faol moddasining tayyorlangan bulamachini mis folga yuzasiga bir xilda qoplashni o'z ichiga oladi, so'ngra oxirgi salbiy elektrod mahsulotini hosil qilish uchun quritish, o'rash, kesish va boshqa bosqichlarni o'z ichiga oladi.

Shuning uchun mis folga nafaqat o'tkazuvchanlik, sirt pürüzlülüğü va porloqlik uchun ishlash talablariga javob berishi kerak, balki kuchlanish va cho'zilish kabi mexanik xususiyatlar bo'yicha ishlov berish talablariga ham javob berishi kerak. Bundan tashqari, kremniy-uglerod (SiC), litiy (Li), qalay (Sn) va surma (Sb) kabi yuqori-energiyali-zichlikdagi salbiy elektrod materiallarini qo'llash bilan ushbu materiallarni qo'llab-quvvatlovchi mis folga qo'shimcha talablar qo'yiladi.

So'nggi yillarda ko'plab tadqiqotchilar salbiy elektrod oqimi kollektori mis folga nuqtai nazaridan velosipedda aylanish jarayonida SiC, lityum metall va boshqa salbiy elektrod materiallarida hajm o'zgarishi va dendrit shakllanishi kabi muammolarni yumshatish va hal qilishga harakat qilishdi.

Ba'zi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, gözenekli struktura mis folga o'ziga xos sirt maydonini samarali ravishda oshirishi, oqim kollektori va faol material o'rtasidagi aloqa maydonini oshirishi, salbiy elektrod materialining kengayishi va qisqarishi uchun bufer bo'shlig'ini ta'minlashi, salbiy elektrod materialining ajralishini oldini olish uchun yopishqoqlikni oshirishi va shu bilan batareyaning aylanish ish faoliyatini yaxshilashi mumkin.

G'ovakli struktura, shuningdek, dendrit hosil bo'lishidan kelib chiqadigan xavfsizlik muammolarini hal qilib, lityum metallni zaryadlash / tushirish davrlarida lityum dendritlarning shakllanishini bostirishi mumkin.

G'ovakli mis folga tayyorlash usuli nafaqat yakuniy mahsulotning o'tkazuvchanligi, engilligi va faol materialni yuklash qobiliyati kabi xususiyatlarni aniqlaydi, balki usulning soddaligi, amalga oshirilishi mumkinligi, etuk uskunalardan foydalanishi va ishlab chiqarish uchun iqtisodiy jihatdan foydalimi yoki yo'qligini aniqlaydi. ommaviy ishlab chiqarishga erishishning asosiy omillari.

Ushbu maqola g'ovakli mis oqim kollektorlarini tayyorlash usullarining tadqiqot holatini, shu jumladan shablon usullari, deloying, chang sinterlash, kimyoviy usullar va mis to'rlarini to'qish va ularning batareyaning ishlashiga ta'sirini umumlashtiradi. Shuningdek, u 3D gözenekli mis oqim kollektorlarining kelajakdagi rivojlanishi uchun istiqbollarni taqdim etadi.

Turli xil tayyorlash usullari g'ovak misning g'ovak shakli, hajmi va g'ovakliligining o'zgarishiga olib keladi. Hozirgi asosiy tayyorlash usullari quyidagilardan iborat: CO₂ lazerlari va bosilgan shablonlardan foydalanib, mis folga ustidagi mikro-teshiklarni-to'g'ridan-to'g'ri yaratish; vodorod pufakchalari shablonlari yoki dekstran shablonlari kabi ko'pik-ko'zalarni hosil qilish uchun jarayonlardan foydalanish; tartibsiz g'ovaklarni hosil qilish uchun deloying va chang sinterlashdan foydalanish; to'rli teshiklarni hosil qilish uchun mis simlarni to'qish; va sirtda tolali skelet g'ovaklarini tayyorlash uchun kimyoviy usullardan foydalanish.

Teshik shakli, o'lchami, g'ovakliligi va boshqalar tayyorgarlik jarayoniga sezilarli darajada ta'sir qiladi, bu esa sezilarli darajada ishlash farqlariga olib keladi.

Lityum{0}}ionli batareyalarda mis folga manfiy elektrod uchun ham tayanch struktura, ham oqim kollektori vazifasini bajaradi. Uning sirt faolligi, elektr o'tkazuvchanligi, oksidlanish qarshiligi va o'z og'irligi energiya zichligi va velosiped ishlashi kabi batareya ko'rsatkichlariga bevosita ta'sir qiladi.

Lityum{0}}ionli akkumulyatorlarga talab ortib borayotganligi sababli, SiC, Sn va Li metall kabi yangi manfiy elektrodlar keng qamrovli tadqiq qilinmoqda va ular grafitdan ancha yuqori nazariy sig‘imlarga ega. Biroq, bu yangi negativlardan foydalanish katta qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi, masalan, zaryad/zaryad paytida sezilarli hajm o'zgarishi va lityum dendrit shakllanishiga moyillik.

3D gözenekli mis folga bu muammolarni hal qilishning yondashuvlaridan biriga aylandi. Oddiy tekis elektrolitik mis folga bilan solishtirganda, ko'plab tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, 3D gözenekli mis folga salbiy elektrod materiallarining hajmini kengaytirish / qisqarish muammolarini samarali ravishda yumshata oladi va shu bilan batareyaning energiya zichligi va tezligini oshiradi.

3D skeletli mis oqim kollektorlari bilan o'ralgan lityum metall batareyalarning elektr ishlashini tekshirish oddiy mis folga bilan batareyalar 400 tsikldan keyin qisqa tutashuvlarni boshdan kechirishini aniqladi.

Bu velosport paytida lityum dendrit hosil bo'lishi bilan bog'liq bo'lib, bu seperatorni teshib, qisqa tutashuvni keltirib chiqardi va velosipedda kuchli kuchlanish histerizisi paydo bo'ldi. Bundan farqli o'laroq, 3D lityum batareyali mis folga bilan qoplangan lityum metall batareyalar 600 tsikldan keyin qisqa tutashuvni ko'rsatmadi, bu velosipedda lityum dendritlarning sezilarli darajada bostirilishini ko'rsatib, batareyaning qisqa tutashuvidan qochib, kuchlanishning bir xil o'zgarishiga olib keldi.

Shu sababli, 3D skeletli mis oqim kollektorlari lityum metall batareyalarda lityum dendrit muammosini samarali hal qila oladi, bu batareyalar uchun xavfsizlik kafolati beradi.

3D g'ovakli mis tok kollektorlari keyingi avlod lityum-batareyalarining manfiy elektrod materiallarini amaliy qo'llash jarayonida yuzaga keladigan ba'zi asosiy muammolarni samarali hal qila oladi, bu esa Li, Sn va SiC kabi materiallarni sanoatda qo'llash imkonini beradi. 3D gözenekli mis oqim kollektorlari bo'yicha tadqiqotlar salbiy elektrod materiallarining ishlashi bilan chambarchas bog'liq.

Shuning uchun, maxsus salbiy elektrod materiallari uchun sanoatlashtirish oson bo'lgan 3D gözenekli mis oqim kollektorlari uchun tayyorlash usullarini tanlash kerak. Batafsil tadqiqotlar jarayon sharoitlarining g'ovak shakliga ta'sirini, 3D gözenekli mis oqim kollektorining g'ovak hajmini va energiya zichligi, aylanish samaradorligi va aylanishlar soni kabi batareyaning tegishli ko'rsatkichlarini o'rganishi kerak.

Bunga asoslanib, 3D gözenekli mis oqim kollektorlarini sanoatlashtirishga erishish uchun to'liq ishlab chiqarish uskunalarini ishlab chiqish kerak. Hozirgi vaqtda ko'pgina tadqiqotlar asosiy tadqiqot bosqichida qolmoqda, bu esa tayyorlangan 3D gözenekli mis oqim kollektorlari samarali yoki yo'qligiga qaratilgan.

Keng qamrovli tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, g'ovakli mis oqim kollektorlari mis folga oqim kollektorlarini rivojlantirishning muhim kelajakdagi yo'nalishlaridan biridir.

3D g'ovakli mis oqim kollektorlari va yangi salbiy elektrod materiallarini tayyorlash usullari bo'yicha muhim tadqiqotlar muqarrar ravishda litiy{1}}ionli batareyalar evolyutsiyasini kuchaytiradi. Tayyorgarlik jarayoni va usuli 3D gözenekli mis oqim kollektorining o'ziga xos sirt maydonini, mexanik xususiyatlarini, salbiy elektrod materiallariga yopishishini va salbiy elektrod o'tkazuvchanligini aniqlaydi.

Mavjud adabiyotlarda 3D gözenekli mis tok kollektorlarining litiy-ionli akkumulyatorlarning ishlashiga o‘ziga xos ta’siri bo‘yicha chuqur tadqiqot-yok, va sanoatlashtirishga mos tayyorlash usullarini o‘rganishni tezlashtirish zarur. Kelajakda kam energiya iste'moli, etuk uskuna va oson miqyosli bo'lgan g'ovakli mis folga tok kollektorlarini ishlab chiqarish uchun past massa, sozlanishi gözenek hajmi, yuqori o'tkazuvchanlik va yaxshi mexanik xususiyatlarga ega bo'lgan usullarni topish yangi lityum-ionli akkumulyatorlarning salbiy elektrod materiallarini ishlab chiqish yo'nalishi bo'lib, lityum-ionli batareyaning ishlashini oshirish uchun muhim ahamiyatga ega.

Ma'lumotnomalar
Xitoy milliy bilim infratuzilmasi (CNKI)