تطبيق الجيل الثالث من مجمعات التيار الكهربائي لبطارية الرغوة النحاسية

تطبيق الجيل الثالث من مجمعات التيار الكهربائي لبطارية الرغوة النحاسية

I. الخلفية التقنية ونقاط الضعف في الصناعة

1. يؤدي الطلب على الطاقة الجديدة إلى تحسين أداء البطارية

2. • تنمو المبيعات العالمية لمركبات الطاقة الجديدة بمعدل سنوي متوسط ​​يزيد عن 30% (بيانات وكالة الطاقة الدولية، 2023)، وتدخل الطائرات الكهربائية مرحلة الاختبار التجاري.

• يجب أن تتجاوز كثافة طاقة بطارية أيون الليثيوم- 400 وات ساعة/كجم لتلبية متطلبات النطاق، إلا أن البطاريات السائلة التقليدية تواجه الاختناقات التالية:

• قيود نقل Li+: يطول مسار نقل Li+ داخل الأقطاب الكهربائية المسامية مع زيادة حمل المنطقة، مما يؤدي إلى انخفاض أداء الشحن السريع-.

• مشكلات تتعلق بسلامة البطارية-في الحالة الصلبة: يشكل نمو تشعبات الليثيوم خطرًا على الدائرة القصيرة-، كما تؤدي كثافة التيار المرتفعة بشكل مفرط لكل وحدة مساحة إلى تفاقم المخاطر المتعلقة بالسلامة.

3. القيود المفروضة على جامعي التيار التقليدي

4.
• رقائق النحاس من الجيل الأول (TCC): بنية خالية من المسام، ويحدث نقل Li+ على جانب واحد فقط، مما يؤدي إلى مسافة انتشار طويلة (الشكل 1).

• مجمعات التيار المركبة من الجيل الثاني-: أثناء تحسين القوة الميكانيكية، فإن المسامية غير الكافية تحد من تحسين كثافة الطاقة.

ثانيا. المزايا التكنولوجية واختراقات الأداء لرغوة النحاس

1. تصميم مبتكر لبنية مسامية -ثلاثية الأبعاد

2. • تحسين كفاءة نقل Li+: التصميم المسامي للرغوة النحاسية يسمح لـ Li+ بالتغلغل في كل من المجمع الحالي والفاصل، مما يؤدي إلى تقصير مسار النقل بنسبة 50% (الشكل 1).

• أداء معدل محسّن: تُظهر البيانات التجريبية معدل الاحتفاظ بالسعة بنسبة 78.3% عند شحن 4C (Nature, 2023)، وهو ما يتفوق بشكل كبير على المجمعات الحالية التقليدية.

3. آلية قمع تشعبات الليثيوم في بطاريات الحالة الصلبة-.

4. • تأثير المساحة السطحية العالية: تتمتع رغوة النحاس بمساحة سطحية محددة تبلغ 50-100 متر مربع/جم، مما يقلل من كثافة تيار الوحدة ويقلل من خطر نمو التشعبات.

• التحقق من قبل الشركات الرائدة: استخدمته مختبرات CATL وBYD بالفعل لاختبار الحالة-الصلبة- للبطارية (تقرير عام في عام 2023).

5. استقرار الدورة وكثافة الطاقة

6. • تخفيف الضغط الميكانيكي: تحقق رغوة النحاس ليونة بنسبة 200% (معيار ASTM)، مما يحسن عمر الدورة بنسبة 30% (مقارنة برقائق النحاس). • كثافة الطاقة المحتملة: حققت بطاريات الحالة-شبه الصلبة-كثافة طاقة مقاسة تبلغ 276 وات ساعة/كجم (2023 Nature Energy)، مما يقترب من القيمة النظرية لبطاريات الحالة الصلبة-.

ثالثا. التكلفة-الفعالية وتقدم التصنيع
نوع التيار|استخدام النحاس (طن/جيجاواط/ساعة)|كثافة الطاقة (وات/كجم)
رقائق النحاس من الجيل الأول|700|250-280
جامع التيار المركب من الجيل الثاني|250|300-320
رغوة النحاس الجيل الثالث|100|350-380
1. تحسين تكلفة المواد
2. • تم تقليل استخدام النحاس بنسبة 70%، مما أدى إلى خفض التكلفة بحوالي 420 مليون يوان صيني لكل جيجاوات ساعة بناءً على سعر النحاس الحالي (80,000 يوان صيني/طن).

خامسا الاستنتاج
وباعتبارها مجمعًا للتيار-من الجيل الثالث، فإن الرغوة النحاسية، من خلال بنيتها المسامية التي تعمل على تحسين مسارات نقل Li+ وتوحيد ترسيب الليثيوم، تحمل وعدًا كمادة رئيسية للتغلب على اختناقات الأداء في بطاريات الحالة السائلة/الصلبة-. على الرغم من أن التصنيع لا يزال بحاجة إلى معالجة مشكلات مثل عائد الإنتاج الضخم والتكلفة، إلا أن الشركات الرائدة تعمل على تسريع عمليات النشر الخاصة بها (مثل خطة خط إنتاج CATL بقدرة 1.5 جيجاوات في الساعة)، ومن المتوقع أن تدخل مرحلة -التطبيق واسع النطاق في عام 2026.