Baterai litium-ion, yang dikenal karena keamanannya, biayanya rendah, dan kinerjanya yang luar biasa, banyak digunakan pada perangkat elektronik portabel, sistem penyimpanan energi-berskala besar, kendaraan listrik, dan bidang lainnya, menjadikannya perangkat penyimpanan energi sekunder yang luar biasa.
Baterai litium-ion pada umumnya terdiri dari anoda, katoda, pemisah, elektrolit, dan pengumpul arus. Bahan anoda yang umum termasuk LiNiMnCoO₂, LiFePO₄, LiCoO₂, LiMn₂O₄, dll., sedangkan grafit terutama digunakan untuk katoda. Untuk meningkatkan parameter kinerja seperti kepadatan energi, grafit katoda sering kali diolah dengan bahan seperti SiOₓ. Penelitian ekstensif mengenai bahan untuk baterai litium-ion dilakukan dalam konteks ini.
Persiapan Tembaga Berpori 3D
Foil tembaga, dengan konduktivitas dan sifat mekanisnya yang sangat baik, saat ini menjadi pilihan utama untuk pengumpul arus elektroda negatif pada baterai litium-ion. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak peneliti juga secara aktif mencari pengumpul arus jenis baru untuk mengakomodasi pengembangan baterai.
Proses produksi anoda baterai melibatkan pelapisan secara seragam bubur bahan aktif elektroda negatif yang telah disiapkan ke permukaan kertas tembaga, diikuti dengan pengeringan, penggulungan, pemotongan, dan langkah-langkah lain untuk membentuk produk elektroda negatif akhir.
Oleh karena itu, foil tembaga tidak hanya harus memenuhi persyaratan kinerja untuk konduktivitas, kekasaran permukaan, dan kilap, tetapi juga memenuhi persyaratan pemrosesan terkait sifat mekanik seperti kekuatan tarik dan perpanjangan. Selain itu, dengan penerapan material elektroda negatif berdensitas-energi-tinggi seperti silikon-karbon (SiC), litium (Li), timah (Sn), dan antimon (Sb), tuntutan tambahan diberikan pada lapisan tembaga yang mendukung material ini.
Dalam beberapa tahun terakhir, banyak peneliti telah berusaha untuk mengurangi dan memecahkan masalah seperti perubahan volume dan pembentukan dendrit dalam SiC, logam litium, dan bahan elektroda negatif lainnya selama siklus dari perspektif foil tembaga pengumpul arus elektroda negatif.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa foil tembaga berstruktur berpori dapat secara efektif meningkatkan luas permukaan spesifik, meningkatkan area kontak antara pengumpul arus dan bahan aktif, menyediakan ruang penyangga untuk ekspansi dan kontraksi bahan elektroda negatif, meningkatkan daya rekat untuk mencegah pelepasan bahan elektroda negatif, dan dengan demikian meningkatkan kinerja siklus baterai.
Struktur berpori juga dapat menekan pembentukan dendrit litium selama siklus pengisian/pengosongan logam litium, sehingga mengatasi masalah keamanan yang timbul dari pembentukan dendrit.
Metode persiapan foil tembaga berpori tidak hanya menentukan sifat-sifat seperti konduktivitas, sifat ringan, dan kapasitas pemuatan bahan aktif dari produk akhir tetapi juga apakah metode tersebut sederhana, layak, menggunakan peralatan yang matang, dan layak secara ekonomi untuk produksi merupakan faktor kunci untuk mencapai produksi massal.
Makalah ini merangkum status penelitian teknik persiapan pengumpul arus tembaga berpori, termasuk metode templat, dealloying, sintering bubuk, metode kimia, dan tenun jaring tembaga, serta dampaknya terhadap kinerja baterai. Hal ini juga memberikan prospek untuk pengembangan pengumpul arus tembaga berpori 3D di masa depan.
Metode preparasi yang berbeda menghasilkan variasi bentuk pori, ukuran, dan porositas tembaga berpori. Metode persiapan utama saat ini meliputi: menggunakan laser CO₂ dan templat tercetak untuk secara langsung membuat lubang mikro-melalui-pada kertas tembaga; menggunakan proses seperti templat gelembung hidrogen atau templat dekstran untuk membentuk pori-pori seperti busa; menggunakan dealloying dan sintering bubuk untuk membuat pori-pori tidak beraturan; menenun kabel tembaga untuk membentuk pori-pori jaring; dan menggunakan metode kimia untuk menyiapkan pori-pori kerangka berserat di permukaan.
Bentuk pori, ukuran, porositas, dll., sangat dipengaruhi oleh proses preparasi, sehingga menyebabkan perbedaan kinerja yang cukup besar.
Dampak Pengumpul Arus Tembaga Berpori 3D pada Kinerja Baterai Lithium-Ion
Pada baterai litium-ion, foil tembaga berfungsi sebagai struktur pendukung dan pengumpul arus untuk elektroda negatif. Aktivitas permukaan, konduktivitas listrik, ketahanan oksidasi, dan beratnya sendiri secara langsung memengaruhi indikator baterai seperti kepadatan energi dan kinerja siklus.
Dengan meningkatnya permintaan baterai litium-ion, elektroda negatif baru seperti logam SiC, Sn, dan Li sedang diteliti secara ekstensif, menawarkan kapasitas teoritis yang jauh melebihi grafit. Namun, penggunaan negatif baru ini menghadirkan tantangan besar, seperti perubahan volume yang signifikan selama pengisian/pengosongan dan kerentanan terhadap pembentukan litium dendrit.
Foil tembaga berpori 3D telah menjadi salah satu pendekatan untuk mengatasi masalah ini. Dibandingkan dengan foil tembaga elektrolitik datar biasa, banyak penelitian menunjukkan bahwa foil tembaga berpori 3D dapat secara efektif mengurangi masalah ekspansi/kontraksi volume bahan elektroda negatif, sehingga meningkatkan kepadatan energi baterai dan kemampuan laju.
Peningkatan Keamanan
Pengujian kinerja kelistrikan baterai logam litium yang dikemas dengan pengumpul arus tembaga kerangka 3D mengungkapkan bahwa baterai dengan foil tembaga biasa mengalami korsleting setelah 400 siklus.
Hal ini disebabkan oleh pembentukan litium dendrit selama siklus, yang menembus separator, menyebabkan korsleting, serta histeresis tegangan yang parah selama siklus. Sebaliknya, baterai logam litium yang dikemas dengan foil tembaga baterai litium 3D tidak menunjukkan terjadinya korsleting setelah 600 siklus, yang menunjukkan penekanan dendrit litium secara signifikan selama siklus, menghindari korsleting baterai dan menghasilkan perubahan tegangan yang lebih seragam.
Oleh karena itu, pengumpul arus tembaga kerangka 3D dapat secara efektif memecahkan masalah litium dendrit pada baterai logam litium, sehingga memberikan jaminan keamanan untuk baterai tersebut.
Pengumpul arus tembaga berpori 3D dapat secara efektif mengatasi beberapa masalah utama yang timbul selama penerapan praktis bahan elektroda negatif baterai lithium-ion generasi berikutnya, sehingga memungkinkan penerapan bahan industri seperti Li, Sn, dan SiC. Penelitian pengumpul arus tembaga berpori 3D erat kaitannya dengan kinerja bahan elektroda negatif.
Oleh karena itu, perlu dipilih metode persiapan pengumpul arus tembaga berpori 3D yang mudah diindustrialisasikan untuk bahan elektroda negatif tertentu. Studi terperinci harus menyelidiki pengaruh kondisi proses pada bentuk pori, ukuran pori pengumpul arus tembaga berpori 3D, dan metrik kinerja baterai yang sesuai seperti kepadatan energi, efisiensi siklus, dan jumlah siklus.
Berdasarkan hal ini, peralatan produksi yang lengkap harus dikembangkan untuk mencapai industrialisasi pengumpul arus tembaga berpori 3D. Saat ini, sebagian besar penelitian masih pada tahap penelitian dasar, dengan fokus pada apakah pengumpul arus tembaga berpori 3D yang disiapkan efektif.
Tren dan Prospek Perkembangan Kolektor Arus Tembaga Berpori 3D
Penelitian ekstensif membuktikan bahwa pengumpul arus tembaga berpori adalah salah satu arah penting masa depan untuk pengembangan pengumpul arus foil tembaga.
Penelitian signifikan mengenai metode persiapan pengumpul arus tembaga berpori 3D dan material elektroda negatif baru pasti akan mendorong evolusi baterai litium-ion. Proses dan metode persiapan menentukan luas permukaan spesifik, sifat mekanik, daya rekat pada bahan elektroda negatif, dan konduktivitas elektroda negatif pengumpul arus tembaga berpori 3D.
Literatur yang ada kurang-penelitian mendalam tentang dampak spesifik pengumpul arus tembaga berpori 3D terhadap kinerja baterai litium-ion, dan eksplorasi ke dalam industrialisasi metode persiapan yang sesuai perlu dipercepat. Di masa depan, menemukan metode dengan konsumsi energi yang rendah, peralatan yang matang, dan skalabilitas yang mudah untuk menghasilkan pengumpul arus foil tembaga berpori dengan massa rendah, ukuran pori yang dapat disesuaikan, konduktivitas tinggi, dan sifat mekanik yang baik merupakan arah untuk mengembangkan material elektroda negatif baterai lithium-ion baru, yang sangat penting untuk meningkatkan kinerja baterai lithium-ion.
Referensi
Infrastruktur Pengetahuan Nasional Tiongkok (CNKI)
