Com o rápido desenvolvimento de novos veículos elétricos e aeronaves elétricas, a demanda por maior autonomia de condução em ambos depende cada vez mais de baterias de íons de lítio-densas em energia-(LIBs)

Com o rápido desenvolvimento de novos veículos elétricos e aeronaves elétricas, a demanda por maior autonomia de condução em ambos depende cada vez mais de baterias de íons de-lítio{1}}de alta densidade energética (LIBs).

Atualmente, em baterias líquidas tradicionais, o comprimento efetivo do caminho de transporte dos íons Li+ dentro do eletrodo poroso é crucial. Esse comprimento aumenta com a carga de área, limitando diretamente o desempenho-do carregamento rápido. Várias estratégias têm sido propostas na indústria, entre as quais o afinamento do eletrodo é um dos principais métodos para melhorar o desempenho da taxa, mas esse método tem o custo da densidade de energia da bateria.

As baterias-de estado sólido, como objetivo final das baterias, enfrentam desafios que vão além do rendimento e do custo; um dos maiores gargalos é resolver o problema da formação de dendritos de lítio. O metal de lítio é o material de ânodo mais promissor para baterias, mas o crescimento de dendritos, a alta reatividade do lítio e a expansão de volume representam riscos à segurança das baterias de metal de lítio, dificultando a aplicação prática de ânodos de metal de lítio em baterias recarregáveis.

Ambos os principais problemas apontam atualmente para a mesma solução: espuma de cobre. O cobre espumado, também conhecido como cobre 3D, é um novo material de bateria com muitas propriedades e vantagens exclusivas. O cobre espumado é um material metálico com grande número de poros interligados uniformemente distribuídos, apresentando boa condutividade e ductilidade. Em aplicações de bateria de íon-lítio, em comparação com coletores de corrente de folha de cobre de primeira-geração e coletores de corrente compostos de segunda{6}}geração, os coletores de corrente de metal espumado representam a terceira geração. Esse coletor de corrente de terceira{8}}geração também é um fator-chave para determinar se a China pode ser a primeira no mundo a alcançar a industrialização de todas as baterias de estado-sólido-.

Em primeiro lugar, a espuma de cobre, como material de bateria, possui alta condutividade, o que ajuda a melhorar a eficiência de carga e descarga da bateria. Sua estrutura porosa aumenta a área de contato entre o eletrodo e o eletrólito, melhorando assim a densidade de energia da bateria e a estabilidade do ciclo. Os coletores de corrente tradicionais (TCCs), como folhas de metal sólido, incluindo Cu e Al, não possuem porosidade e são impermeáveis ​​ao eletrólito. Portanto, esses TCCs não facilitam o transporte de Li+ e limitam o transporte de Li+ entre os eletrodos a apenas um lado, restringindo o desempenho-de carregamento rápido.

Em contraste, o design poroso da espuma de cobre permite que os íons Li+ passem através do coletor de corrente e do separador simultaneamente, reduzindo pela metade a distância efetiva de transporte de Li+ e aumentando o desempenho da taxa de difusão-C{3}}limitada em quatro vezes sem afetar a densidade de energia. Atualmente, os principais fabricantes nacionais e internacionais de baterias de alta{5}}eficiência conduziram estudos comparativos. De acordo com o último artigo da Nature, as baterias que usam este coletor de corrente exibem alta energia específica (276 Wh kg⁻¹) e capacidades de carregamento rápido-significativas, operando a taxas de 4 C (78,3% C/C), 6 C (70,5% C/C) e 10 C (54,3% C/C). Esse design de coletor de corrente poroso é compatível com os processos de fabricação de baterias existentes e outras estratégias de carregamento-rápido, enriquecendo as configurações da bateria e fornecendo ideias melhores para projetar baterias de-próxima geração.

Em segundo lugar, em relação ao maior problema nas baterias de{0}estado sólido-a formação de dendritos de lítio-a alta área superficial da espuma de cobre expande efetivamente a área do eletrodo, fornecendo locais mais ativos para reações eletroquímicas. Isso leva a uma maior densidade de corrente e capacidade da bateria. Mais importante ainda, a área de reação maior significa uma corrente unitária menor, o que melhorará muito a formação de dendritos de lítio. Ele já é amplamente utilizado em baterias de-estado condensado e-de estado sólido nos laboratórios dos principais fabricantes de baterias.

Além disso, a espuma de cobre também possui boa resistência mecânica e estabilidade, capaz de suportar o estresse gerado durante o ciclo da bateria, prolongando a vida útil da bateria. Isso também é altamente atraente para baterias-de estado sólido.

Cada bateria de GWh requer 700 toneladas de cobre para 6 m de folha de cobre, e o coletor de corrente composto pesa cerca de 300 toneladas, exigindo cerca de 250 toneladas de cobre. O cobre espumado requer apenas cerca de 100 toneladas. A redução significativa no uso do cobre, dada a expectativa atual de aumentos-no preço do cobre no longo prazo, pode não apenas economizar muitos custos, mas também melhorar significativamente a densidade de energia da bateria.