1. Introduzione
In quanto principali dispositivi di accumulo di energia per nuovi veicoli energetici, centrali elettriche di accumulo di energia e apparecchiature elettroniche portatili, le batterie agli ioni di litio hanno densità energetica, ciclo di vita e sicurezza che determinano direttamente il limite di sviluppo delle industrie a valle.schiuma di nichel Grazie ai suoi vantaggi sinergici struttura-prestazioni, ha dimostrato prestazioni eccezionali nel risolvere problemi come la bassa efficienza dei tradizionali collettori di corrente delle batterie agli ioni di litio e l'insufficiente utilizzo dei materiali attivi. È diventato un materiale ausiliario chiave per la ricerca e lo sviluppo di batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni. Questo articolo ne analizza le caratteristiche principali, il meccanismo d'azione e i progressi applicativi.
2. Analisi di base della schiuma di nichel
2.1 Struttura e proprietà
Il nichel espanso presenta una struttura a rete tridimensionale interconnessa, con una porosità tipica dell'80%-95%, un'area superficiale specifica fino a 1-5 m²/g, una resistività fino a 5-10 μΩ·cm a temperatura ambiente e una resistenza alla trazione di circa 15-30 MPa. L'elevata porosità consente un elevato carico di materiali attivi (come catodi di zolfo e anodi a base di silicio) nelle batterie agli ioni di litio (20-40% in più rispetto ai tradizionali collettori di corrente in foglio di alluminio); l'eccellente conduttività elettrica e la resistenza meccanica possono ridurre la perdita di trasmissione degli elettroni, resistendo al contempo all'espansione di volume degli elettrodi durante i cicli di carica-scarica, fornendo supporto strutturale per il funzionamento stabile a lungo termine delle batterie.
2.2 Processi di preparazione
I metodi di preparazione più diffusi si dividono in elettrodeposizione e riduzione chimica:
Metodo di elettrodeposizione: utilizzando schiuma di poliuretano come substrato, uno strato di nichel viene depositato sulla superficie dello scheletro attraverso un processo di galvanoplastica, seguito da sgrassaggio ad alta temperatura e sinterizzazione di riduzione per formare nichel espanso. La purezza del prodotto può superare il 99,5%, con un errore di uniformità di apertura inferiore al 5%. Tuttavia, l'investimento in attrezzature per la galvanoplastica è elevato e il costo di produzione per tonnellata è di circa 30.000-50.000 RMB;
Metodo di riduzione chimica: una soluzione di sali di nichel viene miscelata con un agente riducente (come l'ipofosfito di sodio) e sulla superficie del modello poroso si verifica una reazione di riduzione che forma uno strato di nichel. Il costo è solo il 60-70% di quello del metodo di elettrodeposizione, rendendolo adatto per produzioni di massa su scala di 10.000 tonnellate. Tuttavia, la purezza del prodotto è facilmente influenzata dalle impurità e, con l'uso a lungo termine, può verificarsi una perdita microstrutturale.
La scelta dei due processi deve essere determinata in modo esaustivo in base allo scenario applicativo delle batterie agli ioni di litio (ad esempio, le batterie di potenza hanno elevati requisiti di purezza, mentre le batterie di accumulo di energia si concentrano maggiormente sui costi).
3. Meccanismo d'azione nelle batterie agli ioni di litio
3.1 Ruolo come collettore di corrente dell'elettrodo
Quando utilizzata come collettore di corrente catodico o anodico, la struttura reticolare tridimensionale della schiuma di nichel può costruire una rete conduttiva tridimensionale. La lunghezza del percorso di trasmissione degli elettroni è ridotta del 40-60% rispetto ai tradizionali fogli metallici (come fogli di alluminio e fogli di rame), riducendo la resistenza interna della batteria del 15-25%; allo stesso tempo, la sua struttura porosa può ospitare più elettrolita, migliorando l'efficienza di trasmissione degli ioni. Nel test di carica-scarica a velocità 1C, la velocità di ritenzione della capacità della batteria è aumentata dell'8-12% rispetto ai tradizionali collettori di corrente e le prestazioni di velocità sono significativamente ottimizzate.
3.2 Prestazioni dell'attività catalitica
Nelle batterie litio-aria, gli atomi di nichel sulla superficie della schiuma di nichel possono agire come siti attivi catalitici per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), riducendo l'energia di attivazione della reazione di circa 0,2-0,3 eV e restringendo l'intervallo di tensione di carica-scarica della batteria del 10%-15%; nelle batterie litio-zolfo, la schiuma di nichel può inibire l'effetto navetta del polisolfuro di litio e ridurre la perdita di materiali attivi tramite adsorbimento chimico, riducendo il tasso di decadimento della capacità della batteria dopo 500 cicli a meno del 20% (le batterie tradizionali solitamente superano il 30%).
3.3 Impatto completo sulle prestazioni della batteria
Dal punto di vista dei dati di test effettivi, le batterie agli ioni di litio che utilizzano collettori di corrente in nichel espanso:
La densità energetica aumenta del 10%-30% (ad esempio, le batterie al litio ternarie aumentano da 280 Wh/kg a 350 Wh/kg);
La durata del ciclo è estesa del 50%-100% (ad esempio, il tasso di ritenzione della capacità delle batterie al litio ferro fosfato dopo 2000 cicli supera l'85%, mentre quello delle batterie tradizionali è di circa il 60%);
Le prestazioni a bassa temperatura sono ottimizzate e l'efficienza di carica-scarica a -20°C è aumentata del 15%-20% rispetto alle batterie tradizionali, il che può soddisfare le esigenze di utilizzo dei veicoli a nuova energia nelle fredde regioni settentrionali.
4. Progressi della ricerca e casi applicativi
4.1 Tendenze di ricerca all'avanguardia
La ricerca attuale si concentra sulla modifica della schiuma di nichel per superare i colli di bottiglia nelle prestazioni:
Modifica composita: combinazione di grafene e nanotubi di carbonio con schiuma di nichel per costruire una rete conduttiva sinergica nichel-carbonio, che aumenta la conduttività elettrica del materiale del 30%-50%, migliorando al contempo la resistenza alla corrosione;
Modifica della superficie: formazione di uno strato protettivo sulla superficie della schiuma di nichel tramite galvanizzazione di cobalto, lega nichel-fosforo, ecc. La velocità di corrosione negli elettroliti acidi (come gli elettroliti delle batterie al litio-zolfo) è ridotta a meno di 0,01 mm/anno (la schiuma di nichel non modificata è di circa 0,05 mm/anno);
Ottimizzazione strutturale: sviluppo di una schiuma di nichel a gradiente di pori (piccole dimensioni dei pori in superficie, grandi dimensioni dei pori nello strato interno), che non solo garantisce il caricamento dei materiali attivi, ma riduce anche l'impedenza elettrolitica. Tecnologie pertinenti sono state verificate in campioni di laboratorio di aziende come CATL e BYD.
4.2 Stato di applicazione pratica
La schiuma di nichel ha trovato applicazione su larga scala in due tipi di batterie agli ioni di litio:
Batterie al litio-zolfo: un'azienda nazionale utilizza nichel espanso rivestito di carbonio come collettore di corrente catodico. Le batterie al litio-zolfo prodotte hanno una densità energetica di 450 Wh/kg e sono state installate su piccoli droni, con un'autonomia aumentata del 40% rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio;
Batterie di potenza: Tesla utilizza collettori di corrente anodici rinforzati con schiuma di nichel nella ricerca e nello sviluppo delle batterie 4680, aumentando la capacità di carica-scarica della batteria a 4C (carica completa in 15 minuti) e riducendo al contempo il rischio di fuga termica;
Attualmente, il problema principale che limita l'applicazione su larga scala è ancora il costo: il costo dei collettori di corrente in nichel espanso rappresenta circa l'8%-12% del totalemateriale della batteriacosti (i collettori di corrente tradizionali rappresentano solo il 3%-5%) ed è necessaria un'ulteriore riduzione dei costi attraverso l'ottimizzazione dei processi.
5. Sfide e prospettive
5.1 Problemi esistenti
Oltre alle questioni relative ai costi, ci sono due sfide fondamentali:
Stabilità insufficiente: nelle batterie agli ioni di litio ad alta tensione (ad esempio, superiori a 4,5 V), il nichel espanso è soggetto a reazioni di interfaccia con l'elettrolita, generando composti Ni³⁺, che portano a un aumento dell'impedenza della batteria e il tasso di decadimento della capacità supera il 25% dopo 1000 cicli;
Controllo della coerenza: durante la produzione su larga scala, è probabile che la deviazione delle dimensioni dei pori e dello spessore della schiuma di nichel superi ±10%, con conseguenti differenze di prestazioni tra i lotti di batterie e influendo sul controllo di qualità delle imprese a valle.
5.2 Direzioni di sviluppo future
Riduzione dei costi di processo: sviluppo di una tecnologia di elettrodeposizione senza modello per eliminare il substrato di schiuma di poliuretano, che dovrebbe ridurre i costi di produzione di oltre il 30%;
Adattamento multi-scenario: per i nuovi sistemi di accumulo di energia, come le batterie al litio allo stato solido e le batterie agli ioni di sodio, sviluppo di materiali derivati dal nichel espanso con bassa impedenza ed elevata compatibilità (ad esempio, vettori elettrolitici solidi compositi a base di nichel);
Aggiornamento dell'industrializzazione: introduzione di sistemi di ispezione visiva basati sull'intelligenza artificiale per controllare l'errore di consistenza dei prodotti in nichel espanso entro ±5%, soddisfacendo le esigenze di produzione di massa delle batterie di alimentazione.
