مع التطور السريع للمركبات الكهربائية والطائرات الكهربائية التي تعمل بالطاقة الجديدة، يعتمد الطلب على نطاق القيادة الممتد في كليهما بشكل متزايد على بطاريات أيون الليثيوم -كثيفة الطاقة- (LIBs)

مع التطور السريع للمركبات الكهربائية والطائرات الكهربائية التي تعمل بالطاقة الجديدة، يعتمد الطلب على نطاق القيادة الممتد في كليهما بشكل متزايد على بطاريات أيون الليثيوم -كثيفة الطاقة- (LIBs).

حاليًا، في البطاريات السائلة التقليدية، يعد طول مسار النقل الفعال لأيونات Li+ داخل القطب المسامي أمرًا بالغ الأهمية. ويزداد هذا الطول مع الحمل المساحي، مما يحد بشكل مباشر من أداء الشحن السريع-. تم اقتراح استراتيجيات مختلفة في الصناعة، من بينها تخفيف القطب الكهربائي وهو أحد الطرق الرئيسية لتحسين أداء المعدل، ولكن هذه الطريقة تأتي على حساب كثافة طاقة البطارية.

تواجه بطاريات الحالة الصلبة-، باعتبارها الهدف النهائي للبطاريات، تحديات تتجاوز الإنتاجية والتكلفة؛ واحدة من أكبر الاختناقات هي حل مشكلة تكوين تشعبات الليثيوم. معدن الليثيوم هو مادة الأنود الواعدة للبطاريات، ولكن نمو التغصنات، والتفاعل العالي للليثيوم، وتوسيع الحجم يشكل مخاطر على سلامة بطاريات معدن الليثيوم، مما يعيق التطبيق العملي لأنودات معدن الليثيوم في البطاريات القابلة لإعادة الشحن.

تشير كلتا نقطتي الألم الرئيسيتين حاليًا إلى نفس الحل: النحاس الرغوي. النحاس الرغوي، المعروف أيضًا باسم النحاس ثلاثي الأبعاد، هو مادة بطارية جديدة تتمتع بالعديد من الخصائص والمزايا الفريدة. النحاس الرغوي عبارة عن مادة معدنية تحتوي على عدد كبير من المسام المترابطة الموزعة بشكل موحد، مما يظهر موصلية جيدة وليونة. في تطبيقات بطاريات أيون الليثيوم-، بالمقارنة مع مجمعات تيار رقائق النحاس من الجيل الأول-والجيل الثاني-من مجمعات التيار المركبة، تمثل مجمعات التيار المعدنية الرغوية الجيل الثالث. يعد مجمع التيار-الثالث هذا أيضًا عاملاً رئيسيًا في تحديد ما إذا كانت الصين أول دولة في العالم تحقق تصنيع جميع-بطاريات الحالة الصلبة-.

أولاً، يتمتع النحاس الرغوي، باعتباره مادة بطارية، بموصلية عالية، مما يساعد على تحسين كفاءة الشحن والتفريغ للبطارية. يزيد هيكلها المسامي من مساحة الاتصال بين القطب الكهربائي والكهارل، وبالتالي تحسين كثافة طاقة البطارية واستقرار الدورة. تفتقر مجمعات التيار التقليدية (TCCs)، مثل الرقائق المعدنية الصلبة بما في ذلك Cu وAl، إلى المسامية وتكون غير منفذة للكهارل. ولذلك، فإن TCCs هذه لا تسهل نقل Li+ وتقصر نقل Li+ بين الأقطاب الكهربائية على جانب واحد فقط، مما يحد من أداء الشحن السريع-.

في المقابل، فإن التصميم المسامي للنحاس الرغوي يسمح لأيونات Li+ بالمرور عبر كل من المجمع الحالي والفاصل في وقت واحد، وبالتالي تقليل مسافة نقل Li+ الفعالة إلى النصف وزيادة أداء معدل الانتشار-المحدود C-بأربع مرات دون التأثير على كثافة الطاقة. في الوقت الحالي، قامت شركات تصنيع البطاريات ذات الكفاءة العالية-المحلية والدولية الرائدة بإجراء دراسات مقارنة. وفقًا لأحدث مقالة في مجلة Nature، تُظهر البطاريات التي تستخدم هذا المجمع الحالي طاقة نوعية عالية (276 وات/كجم⁻¹) وقدرات شحن سريعة كبيرة، وتعمل بمعدلات 4 درجات مئوية (78.3% درجة مئوية/درجة مئوية)، و6 درجات مئوية (70.5% درجة حرارة/درجة حرارة مئوية)، و10 درجات مئوية (54.3% درجة حرارة/درجة حرارة مئوية). يتوافق تصميم المجمع الحالي المسامي هذا مع عمليات تصنيع البطاريات الحالية وغيرها من إستراتيجيات الشحن السريع-، مما يؤدي إلى إثراء تكوينات البطارية وتقديم أفكار أفضل لتصميم بطاريات الجيل التالي-.

ثانيًا، فيما يتعلق بأكبر مشكلة في بطاريات الحالة الصلبة-تكوين تشعبات الليثيوم-فإن مساحة السطح العالية لرغوة النحاس تعمل على توسيع مساحة القطب بشكل فعال، مما يوفر مواقع أكثر نشاطًا للتفاعلات الكهروكيميائية. وهذا يؤدي إلى ارتفاع كثافة التيار وقدرة البطارية. والأهم من ذلك، أن مساحة التفاعل الأكبر تعني تيار وحدة أصغر، مما سيؤدي إلى تحسين تكوين تشعبات الليثيوم بشكل كبير. يتم استخدامه بالفعل على نطاق واسع في بطاريات الحالة-المكثفة والصلبة-في مختبرات الشركات المصنعة الرائدة للبطاريات.

علاوة على ذلك، تتمتع الرغوة النحاسية أيضًا بقوة ميكانيكية جيدة واستقرار، وقادرة على تحمل الضغط الناتج أثناء دورة البطارية، مما يطيل عمر البطارية. يعد هذا أيضًا أمرًا جذابًا للغاية بالنسبة للبطاريات ذات الحالة الصلبة-.

تتطلب كل بطارية GWh 700 طن من النحاس لـ 6 أمتار من رقائق النحاس، ويزن مجمع التيار المركب حوالي 300 طن، ويتطلب حوالي 250 طنًا من النحاس. يتطلب النحاس الرغوي حوالي 100 طن فقط. إن الانخفاض الكبير في استخدام النحاس، نظرًا للتوقعات الحالية بارتفاع أسعار النحاس على المدى الطويل-، لا يؤدي إلى توفير الكثير من التكاليف فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى تحسين كثافة طاقة البطارية بشكل ملحوظ.