Yeni enerjili elektrikli araçların ve elektrikli uçakların hızla gelişmesiyle birlikte, her ikisinde de daha uzun sürüş menziline yönelik talep, enerji-yoğun lityum-iyon pillere (LIB'ler) giderek daha fazla bağımlı hale geliyor

Yeni enerjili elektrikli araçların ve elektrikli uçakların hızla gelişmesiyle birlikte, her ikisinde de daha uzun sürüş menziline yönelik talep, enerji-yoğun lityum-iyon pillere (LIB'ler) giderek daha fazla bağımlı hale geliyor.

Şu anda, geleneksel sıvı pillerde, gözenekli elektrot içindeki Li+ iyonlarının etkin taşıma yolu uzunluğu çok önemlidir. Bu uzunluk alan yüküyle birlikte artar ve hızlı-şarj performansını doğrudan sınırlar. Endüstride çeşitli stratejiler önerilmiştir; bunların arasında elektrot inceltmenin hız performansını artırmanın ana yöntemlerinden biri olduğu, ancak bu yöntemin pil enerji yoğunluğuna mal olduğu görülmektedir.

Pillerin nihai hedefi olan katı{0}}piller, verim ve maliyetin ötesinde zorluklarla karşı karşıyadır; En büyük darboğazlardan biri lityum dendrit oluşumu sorununu çözmek. Lityum metal, piller için en umut verici anot malzemesidir, ancak dendrit büyümesi, lityumun yüksek reaktivitesi ve hacim genişlemesi, lityum metal piller için güvenlik tehlikeleri oluşturarak, şarj edilebilir pillerde lityum metal anotların pratik uygulamasını engeller.

Bu büyük sıkıntı noktalarının her ikisi de şu anda aynı çözüme işaret ediyor: köpüklü bakır. 3D bakır olarak da bilinen köpüklü bakır, birçok benzersiz özelliği ve avantajı olan yeni bir pil malzemesidir. Köpüklü bakır, çok sayıda eşit şekilde dağılmış birbirine bağlı gözeneklere sahip, iyi iletkenlik ve süneklik sergileyen metalik bir malzemedir. Lityum-iyon pil uygulamalarında, birinci-nesil bakır folyo akım toplayıcılar ve ikinci-jenerasyon kompozit akım toplayıcılarla karşılaştırıldığında, köpüklü metal akım toplayıcılar üçüncü nesli temsil etmektedir. Bu üçüncü-nesil akım toplayıcı, aynı zamanda Çin'in dünyada tüm-katı hal pillerinin sanayileşmesini-sağlayan ilk ülke olup olamayacağını belirleyen önemli bir faktördür.

İlk olarak, bir pil malzemesi olarak köpüklü bakır, pilin şarj ve deşarj verimliliğini artırmaya yardımcı olan yüksek iletkenliğe sahiptir. Gözenekli yapısı elektrot ile elektrolit arasındaki temas alanını artırarak pilin enerji yoğunluğunu ve döngü stabilitesini artırır. Cu ve Al içeren katı metal folyolar gibi geleneksel akım toplayıcılar (TCC'ler) gözenekliliğe sahip değildir ve elektrolite karşı geçirimsizdir. Bu nedenle, bu TCC'ler Li+ aktarımını kolaylaştırmaz ve elektrotlar arasındaki Li+ aktarımını yalnızca tek bir tarafla sınırlandırarak hızlı-şarj performansını kısıtlar.

Buna karşılık, köpüklü bakırın gözenekli tasarımı, Li+ iyonlarının hem mevcut toplayıcıdan hem de ayırıcıdan aynı anda geçmesine olanak tanır, böylece etkili Li+ taşıma mesafesi yarıya indirilir ve enerji yoğunluğunu etkilemeden difüzyon-sınırlı C-hızı performansı dört kat artar. Şu anda önde gelen yerli ve uluslararası yüksek-verimli pil üreticileri karşılaştırmalı çalışmalar yürütmektedir. En son Nature makalesine göre, bu güncel toplayıcıyı kullanan piller, 4 C (%78,3 C/C), 6 C (%70,5 C/C) ve 10 C (%54,3 C/C) oranlarında çalışarak yüksek özgül enerji (276 Wh kg⁻¹) ve önemli derecede hızlı-şarj yetenekleri sergiliyor. Bu gözenekli akım toplayıcı tasarımı, mevcut pil üretim süreçleriyle ve diğer hızlı{16}}şarj stratejileriyle uyumludur, pil yapılandırmalarını zenginleştirir ve yeni{17}}nesil pillerin tasarlanması için daha iyi fikirler sağlar.

İkinci olarak, katı-hal pillerinde-lityum dendrit oluşumundaki- en büyük sorunla ilgili olarak, bakır köpüğün yüksek yüzey alanı, elektrokimyasal reaksiyonlar için daha aktif alanlar sağlayarak elektrot alanını etkili bir şekilde genişletir. Bu, daha yüksek akım yoğunluğuna ve pil kapasitesine yol açar. Daha da önemlisi, daha büyük reaksiyon alanı daha küçük bir birim akım anlamına gelir ve bu da lityum dendrit oluşumunu büyük ölçüde artıracaktır. Önde gelen pil üreticilerinin laboratuvarlarında yoğunlaştırılmış-hal ve katı-hal pillerinde halihazırda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Ayrıca, bakır köpüğün iyi bir mekanik mukavemeti ve stabilitesi vardır; akü döngüsü sırasında oluşan gerilime dayanabilir ve akü ömrünü uzatır. Bu aynı zamanda katı hal pilleri-için de son derece çekicidir.

Her bir GWh pil, 6 metrelik bakır folyo için 700 ton bakır gerektirir ve kompozit akım toplayıcı yaklaşık 300 ton ağırlığında olup, yaklaşık 250 ton bakır gerektirir. Köpüklü bakır yalnızca yaklaşık 100 ton gerektirir. Uzun vadeli bakır fiyatı artışlarına ilişkin mevcut beklenti göz önüne alındığında, bakır kullanımındaki önemli azalma-yalnızca çok fazla maliyetten tasarruf etmekle kalmaz, aynı zamanda pilin enerji yoğunluğunu da önemli ölçüde artırır.