1. Introducere
Fiind dispozitivul principal de stocare a energiei pentru vehiculele de energie nouă, centralele electrice de stocare a energiei și echipamentele electronice portabile, densitatea energetică, durata de viață a ciclului și siguranța bateriilor litiu-ion determină direct plafonul de dezvoltare al industriilor din aval.Spumă de nichel Bazându-se pe avantajele sale sinergice structură-performanță, a demonstrat performanțe remarcabile în rezolvarea problemelor precum eficiența scăzută a colectoarelor de curent ale bateriilor litiu-ion tradiționale și utilizarea insuficientă a materialelor active. A devenit un material auxiliar cheie pentru cercetarea și dezvoltarea bateriilor litiu-ion de înaltă performanță. Această lucrare analizează caracteristicile sale principale, mecanismul de acțiune și progresul în aplicare.
2. Analiza de bază a spumei de nichel
2.1 Structură și proprietăți
Spuma de nichel prezintă o structură de rețea interconectată tridimensională, cu o porozitate tipică de 80%-95%, o suprafață specifică de până la 1-5 m²/g, o rezistivitate de până la 5-10 μΩ·cm la temperatura camerei și o rezistență la tracțiune de aproximativ 15-30 MPa. Porozitatea ridicată permite o încărcare mare cu materiale active (cum ar fi catozii de sulf și anozii pe bază de siliciu) în bateriile litiu-ion (cu 20%-40% mai mare decât în cazul colectoarelor de curent tradiționale din folie de aluminiu); conductivitatea electrică excelentă și rezistența mecanică pot reduce pierderile de transmisie a electronilor, rezistând în același timp la expansiunea volumică a electrozilor în timpul ciclurilor de încărcare-descărcare, oferind suport structural pentru funcționarea stabilă pe termen lung a bateriilor.
2.2 Procese de pregătire
Metodele principale de preparare sunt împărțite în electrodepunere și reducere chimică:
Metoda de electrodepunere: Folosind spumă poliuretanică ca substrat, un strat de nichel este depus pe suprafața scheletului printr-un proces de galvanizare, urmat de degresare la temperatură înaltă și sinterizare reductivă pentru a forma nichel spumat. Puritatea produsului poate ajunge la peste 99,5%, cu o eroare de uniformitate a aperturii mai mică de 5%. Cu toate acestea, investiția în echipamente de galvanizare este mare, iar costul de producție pe tonă este de aproximativ 30.000-50.000 RMB;
Metoda de reducere chimică: O soluție de sare de nichel este amestecată cu un agent reducător (cum ar fi hipofosfitul de sodiu) și are loc o reacție de reducere la suprafața șablonului poros pentru a forma un strat de nichel. Costul este de doar 60%-70% din cel al metodei de electrodepunere, ceea ce o face potrivită pentru producția de masă la scară de 10.000 de tone. Cu toate acestea, puritatea produsului este ușor afectată de impurități, iar utilizarea pe termen lung poate duce la desprinderea microstructurală.
Selecția celor două procese trebuie determinată în detaliu pe baza scenariului de aplicare al bateriilor litiu-ion (de exemplu, bateriile electrice au cerințe ridicate de puritate, în timp ce bateriile de stocare a energiei se concentrează mai mult pe cost).
3. Mecanismul de acțiune al bateriilor litiu-ion
3.1 Rolul de colector de curent pentru electrozi
Atunci când este utilizată ca și colector de curent catodic sau anodic, structura de rețea tridimensională din spumă de nichel poate construi o rețea conductivă tridimensională. Lungimea căii de transmisie a electronilor este scurtată cu 40%-60% în comparație cu foliile metalice tradiționale (cum ar fi folia de aluminiu și folia de cupru), reducând rezistența internă a bateriei cu 15%-25%; în același timp, structura sa poroasă poate găzdui mai mult electrolit, îmbunătățind eficiența transmisiei ionilor. În testul de încărcare-descărcare cu rată 1C, rata de retenție a capacității bateriei este crescută cu 8%-12% în comparație cu colectoarele de curent tradiționale, iar performanța ratei este optimizată semnificativ.
3.2 Performanța activității catalitice
În bateriile litiu-aer, atomii de nichel de pe suprafața spumei de nichel pot acționa ca situsuri active catalitice pentru reacția de reducere a oxigenului (ORR) și reacția de evoluție a oxigenului (OER), reducând energia de activare a reacției cu aproximativ 0,2-0,3 eV și îngustând diferența de tensiune încărcare-descărcare a bateriei cu 10%-15%; în bateriile litiu-sulfur, spuma de nichel poate inhiba efectul de transfer al polisulfurii de litiu și poate reduce pierderea de materiale active prin adsorbție chimică, reducând rata de descreștere a capacității bateriei după 500 de cicluri la mai puțin de 20% (bateriile tradiționale depășesc de obicei 30%).
3.3 Impactul cuprinzător asupra performanței bateriei
Din perspectiva datelor de testare reale, bateriile litiu-ion care utilizează colectoare de curent din spumă de nichel:
Densitatea energiei este crescută cu 10%-30% (de exemplu, bateriile ternare cu litiu sunt crescute de la 280 Wh/kg la 350 Wh/kg);
Durata de viață a ciclului de viață este extinsă cu 50%-100% (de exemplu, rata de retenție a capacității bateriilor litiu-fosfat de fier după 2000 de cicluri depășește 85%, în timp ce cea a bateriilor tradiționale este de aproximativ 60%);
Performanța la temperaturi scăzute este optimizată, iar eficiența de încărcare-descărcare la -20℃ este crescută cu 15%-20% în comparație cu bateriile tradiționale, ceea ce poate satisface nevoile de utilizare ale vehiculelor cu energie nouă în regiunile nordice reci.
4. Progresul cercetării și cazurile de aplicare
4.1 Tendințe de cercetare de ultimă generație
Cercetările actuale se concentrează pe modificarea spumei de nichel pentru a depăși blocajele de performanță:
Modificare compozită: Combinarea grafenului și a nanotuburilor de carbon cu spumă de nichel pentru a construi o rețea conductivă sinergică nichel-carbon, care crește conductivitatea electrică a materialului cu 30%-50%, sporind în același timp rezistența la coroziune;
Modificarea suprafeței: Formarea unui strat protector pe suprafața spumei de nichel prin galvanizare cu cobalt, aliaj nichel-fosfor etc. Rata de coroziune în electroliți acizi (cum ar fi electroliții bateriilor litiu-sulf) este redusă la mai puțin de 0,01 mm/an (spuma de nichel nemodificată este de aproximativ 0,05 mm/an);
Optimizare structurală: Dezvoltarea de spumă de nichel cu pori în gradient (pori mici la suprafață, pori mari în stratul interior), care nu numai că asigură încărcarea materialelor active, dar reduce și impedanța electrolitului. Tehnologiile relevante au fost verificate în probe de laborator ale unor companii precum CATL și BYD.
4.2 Statutul aplicației practice
Spuma de nichel a fost utilizată pe scară largă în două tipuri de baterii litiu-ion:
Baterii litiu-sulfur: O întreprindere autohtonă folosește spumă de nichel acoperită cu carbon ca și colector de curent catodic. Bateriile litiu-sulfur produse au o densitate energetică de 450 Wh/kg și au fost instalate în drone mici, cu o autonomie crescută cu 40% în comparație cu bateriile litiu-ion tradiționale;
Baterii de alimentare: Tesla folosește colectoare de curent anodice armate cu spumă nichel în cercetarea și dezvoltarea bateriilor 4680, crescând capacitatea de încărcare-descărcare a bateriei la 4°C (încărcare completă în 15 minute), reducând în același timp riscul de fluctuație termică;
În prezent, problema principală care restricționează aplicațiile la scară largă este în continuare costul - costul colectoarelor de curent din spumă de nichel reprezintă aproximativ 8%-12% din total.materialul baterieicost (colectoarele de curent tradiționale reprezintă doar 3%-5%), fiind necesară o reducere suplimentară a costurilor prin optimizarea procesului.
5. Provocări și perspective
5.1 Probleme existente
Pe lângă problemele legate de costuri, există două provocări principale:
Stabilitate insuficientă: În bateriile litiu-ion de înaltă tensiune (de exemplu, peste 4,5 V), nichelul spumos este predispus la reacții de interfață cu electrolitul, generând compuși Ni³⁺, ceea ce duce la o creștere a impedanței bateriei, iar rata de descreștere a capacității depășește 25% după 1000 de cicluri;
Controlul consistenței: În timpul producției la scară largă, abaterea dimensiunii porilor și a grosimii spumei de nichel poate depăși ±10%, rezultând diferențe de performanță între loturile de baterii și afectând controlul calității întreprinderilor din aval.
5.2 Direcții de dezvoltare viitoare
Reducerea costurilor de proces: Dezvoltarea tehnologiei de electrodepunere fără șablon pentru a elimina substratul de spumă poliuretanică, ceea ce se așteaptă să reducă costurile de producție cu peste 30%;
Adaptare la scenarii multiple: Pentru noi sisteme de stocare a energiei, cum ar fi bateriile litiu în stare solidă și bateriile sodiu-ion, dezvoltarea de materiale derivate din spumă de nichel cu impedanță scăzută și compatibilitate ridicată (de exemplu, purtători de electroliți solizi compoziti pe bază de nichel);
Modernizare industrializare: Introducerea sistemelor de inspecție vizuală bazate pe inteligență artificială pentru a controla eroarea de consistență a produselor din spumă de nichel în limita a ±5%, satisfăcând nevoile de producție în masă a bateriilor electrice.
