新エネルギーの電気自動車と電気航空機の急速な発展に伴い、どちらの航続距離の延長に対する需要もエネルギー密度の高いリチウムイオン電池（LIB）への依存度が高まっています。{0}{0}{1}

新エネルギーの電気自動車や電気航空機の急速な発展に伴い、どちらの航続距離の延長に対する需要もエネルギー密度の高いリチウムイオン電池（LIB）への依存度が高まっています。{0}{0}{1}{1}

現在、従来の液体電池では、多孔質電極内の Li+ イオンの有効輸送経路長が重要です。この長さは面積負荷とともに増加し、急速充電のパフォーマンスを直接制限します。-業界ではさまざまな戦略が提案されており、その中で電極を薄くすることはレート性能を向上させる主な方法の 1 つですが、この方法にはバッテリーのエネルギー密度が犠牲になります。

全固体電池は、電池の最終目標として、収量とコストを超えた課題に直面しています。最大のボトルネックの 1 つは、リチウム樹枝状結晶の形成の問題を解決することです。リチウム金属は電池にとって最も有望な負極材料ですが、デンドライトの成長、リチウムの高い反応性、体積膨張によりリチウム金属電池の安全上の危険が生じ、充電式電池におけるリチウム金属負極の実用化が妨げられています。

これらの主な問題点は両方とも、現時点では同じ解決策、つまり発泡銅を指しています。 3D 銅とも呼ばれる発泡銅は、多くのユニークな特性と利点を備えた新しいバッテリー材料です。発泡銅は、多数の均一に分布した相互接続された細孔を備えた金属材料であり、良好な導電性と延性を示します。リチウム-イオン電池の用途では、第 1 世代の銅箔集電体や第 2 世代の複合集電体と比較して、発泡金属集電体が第 3 世代に相当します。-この第 3 世代集電装置は、中国が世界で初めて全固体電池の工業化を達成できるかどうかを決定する重要な要素でもあります。--

まず、電池材料としての発泡銅は高い導電性を有しており、電池の充放電効率の向上に役立ちます。その多孔質構造により、電極と電解質の間の接触面積が増加し、それによってバッテリーのエネルギー密度とサイクル安定性が向上します。 Cu や Al を含む固体金属箔などの従来の集電体 (TCC) は多孔性がなく、電解液を透過しません。したがって、これらの TCC は Li+ 輸送を促進せず、電極間の Li+ 輸送を片側のみに制限し、急速充電性能を制限します。-。

対照的に、発泡銅の多孔質設計により、Li+ イオンが集電体とセパレータの両方を同時に通過できるため、エネルギー密度に影響を与えることなく、有効な Li+ 輸送距離が半分になり、拡散-制限 C- レートの性能が 4 倍向上します。現在、国内外の大手高効率バッテリー メーカーが比較研究を行っています。-最新の Nature 記事によると、この集電体を使用したバッテリーは、高い比エネルギー (276 Wh kg⁻¹) と、4 C (78.3% C/C)、6 C (70.5% C/C)、10 C (54.3% C/C) のレートで動作する優れた高速充電機能を示します。{8}}この多孔質集電体の設計は、既存の電池製造プロセスや他の急速充電戦略と互換性があり、電池構成を強化し、次世代電池の設計に優れたアイデアを提供します。-

次に、全固体電池の最大の問題である-リチウム樹枝状結晶の形成-に関しては、発泡銅の表面積が大きいため、電極面積が効果的に拡大され、電気化学反応の活性点が増加します。これにより、電流密度とバッテリー容量が向上します。さらに重要なことは、反応面積が大きいということは単位電流が小さくなることを意味し、これによりリチウム樹枝状結晶の形成が大幅に改善されることになる。すでに大手電池メーカーの研究室で凝縮型電池や全固体電池に広く使用されています。{6}

さらに、発泡銅は優れた機械的強度と安定性も備えており、バッテリーサイクル中に発生するストレスに耐えることができ、バッテリー寿命を延ばします。これは全固体電池にとっても非常に魅力的です。-

各 GWh バッテリーには 6 メートルの銅箔に 700 トンの銅が必要で、複合集電体の重量は約 300 トンで、約 250 トンの銅が必要です。発泡銅の製造には約100トンしか必要ありません。現在長期的な銅価格の上昇が予想されることを考慮すると、銅の使用量を大幅に削減することで、コストを大幅に節約できるだけでなく、バ​​ッテリーのエネルギー密度も大幅に向上させることができます。-