מחקר על ניקל מוקצף עבור סוללות ליתיום-יון

1. מבוא

כאמצעי אחסון האנרגיה המרכזיים עבור כלי רכב חדשים לאנרגיה, תחנות כוח לאגירת אנרגיה וציוד אלקטרוני נייד, צפיפות האנרגיה, אורך החיים והבטיחות של סוללות ליתיום-יון קובעים ישירות את תקרת הפיתוח של תעשיות במורד הזרם.קצף ניקל בהסתמך על יתרונותיו הסינרגטיים בין מבנה לביצועים, הוכח ביצועים יוצאי דופן בפתרון בעיות כגון יעילות נמוכה של קולטי זרם של סוללות ליתיום-יון מסורתיות וניצול לא מספק של חומרים פעילים. הוא הפך לחומר עזר מרכזי למחקר ופיתוח של סוללות ליתיום-יון בעלות ביצועים גבוהים. מאמר זה מנתח את מאפייני הליבה שלו, מנגנון הפעולה שלו והתקדמות היישום שלו.

2. ניתוח בסיסי של ניקל קצף

2.1 מבנה ומאפיינים

ניקל מוקצף מציג מבנה רשת תלת-ממדי מחובר, עם נקבוביות אופיינית של 80%-95%, שטח פנים סגולי של עד 1-5 מ"ר/גרם, התנגדות נמוכה עד 5-10 מיקרוΩ·ס"מ בטמפרטורת החדר, וחוזק מתיחה של כ-15-30 מגה פסקל. הנקבוביות הגבוהה מאפשרת טעינה גבוהה של חומרים פעילים (כגון קתודות גופרית ואנודות מבוססות סיליקון) בסוללות ליתיום-יון (גבוה ב-20%-40% מאשר קולטי זרם מסורתיים מרדיד אלומיניום); המוליכות החשמלית והחוזק המכני המעולים יכולים להפחית את אובדן העברת האלקטרונים, תוך עמידה בהתפשטות הנפח של האלקטרודות במהלך מחזורי טעינה-פריקה, ומספקים תמיכה מבנית לפעולה יציבה לטווח ארוך של סוללות.

2.2 תהליכי הכנה

שיטות ההכנה המרכזיות מחולקות לאלקטרודפוזיציה וחיזור כימי:

שיטת אלקטרודפוזיציה: באמצעות קצף פוליאוריטן כמצע, שכבת ניקל מופקדת על פני השלד באמצעות תהליך ציפוי אלקטרוליטי, ולאחר מכן הסרת שומנים בטמפרטורה גבוהה וסינטור חיזור ליצירת ניקל קצף. טוהר המוצר יכול להגיע ליותר מ-99.5%, עם שגיאת אחידות צמצם של פחות מ-5%. עם זאת, ההשקעה בציוד ציפוי אלקטרוליטי גבוהה, ועלות הייצור לטון היא כ-30,000-50,000 יואן;

שיטת חיזור כימית: תמיסת מלח ניקל מעורבבת עם חומר חיזור (כגון נתרן היפופוספיט), ותגובת חיזור מתרחשת על פני השטח של התבנית הנקבובית ליצירת שכבת ניקל. העלות היא רק 60%-70% מזו של שיטת האלקטרודפוזיציה, מה שהופך אותה מתאימה לייצור המוני בקנה מידה של 10,000 טון. עם זאת, טוהר המוצר מושפע בקלות מזיהומים, ונשירת מיקרו-מבנה עלולה להתרחש במהלך שימוש ארוך טווח.

יש לקבוע באופן מקיף את בחירת שני התהליכים בהתבסס על תרחיש היישום של סוללות ליתיום-יון (למשל, לסוללות חשמל יש דרישות גבוהות לטוהר, בעוד שסוללות אגירת אנרגיה מתמקדות יותר בעלות).

3. מנגנון פעולה בסוללות ליתיום-יון

3.1 תפקיד כקולט זרם אלקטרודה

כאשר משתמשים בו כקולט זרם קתודי או אנודי, מבנה הרשת התלת-ממדי של ניקל מוקצף יכול לבנות רשת מוליכה תלת-ממדית. אורך נתיב העברת האלקטרונים מתקצר ב-40%-60% בהשוואה ליריעות מתכת מסורתיות (כגון רדיד אלומיניום ורדיד נחושת), מה שמפחית את ההתנגדות הפנימית של הסוללה ב-15%-25%; יחד עם זאת, המבנה הנקבובי שלו יכול להכיל יותר אלקטרוליט, מה שמשפר את יעילות העברת היונים. במבחן טעינה-פריקה של קצב 1C, קצב שימור קיבולת הסוללה גדל ב-8%-12% בהשוואה לקולטי זרם מסורתיים, וביצועי הקצב ממוטבים משמעותית.

3.2 ביצועי פעילות קטליטית

בסוללות ליתיום-אוויר, אטומי ניקל על פני השטח של ניקל קצף יכולים לשמש כאתרים פעילים קטליטיים לתגובת חיזור חמצן (ORR) ותגובת התפתחות חמצן (המשך קריאה), ובכך להפחית את אנרגיית השפעול של התגובה בכ-0.2-0.3 eV ולצמצם את פער מתח הטעינה-פריקה של הסוללה ב-10%-15%; בסוללות ליתיום-גופרית, ניקל קצף יכול לעכב את אפקט המעבורת של ליתיום פוליסולפיד ולהפחית את אובדן החומרים הפעילים באמצעות ספיחה כימית, ובכך להפחית את קצב דעיכת הקיבולת של הסוללה לאחר 500 מחזורים לפחות מ-20% (סוללות מסורתיות בדרך כלל עולות על 30%).

3.3 השפעה מקיפה על ביצועי הסוללה

מנקודת מבט של נתוני בדיקה בפועל, סוללות ליתיום-יון המשתמשות באספני זרם ניקל מוקצף:

צפיפות האנרגיה גדלה ב-10%-30% (למשל, סוללות ליתיום טרנריות גדלות מ-280 וואט-שעה/ק"ג ל-350 וואט-שעה/ק"ג);

חיי המחזור מוארכים ב-50%-100% (למשל, שיעור שימור הקיבולת של סוללות ליתיום ברזל פוספט לאחר 2000 מחזורים עולה על 85%, בעוד שזה של סוללות מסורתיות הוא כ-60%);

ביצועי הטמפרטורה הנמוכה ממוטבים, ויעילות הטעינה-פריקה ב-20- מעלות צלזיוס גדלה ב-15%-20% בהשוואה לסוללות מסורתיות, שיכולות לענות על צרכי השימוש של כלי רכב אנרגיה חדשים באזורים צפוניים קרים.

4. התקדמות המחקר ומקרי יישום

4.1 מגמות מחקר פורצות דרך

מחקרים נוכחיים מתמקדים בשינוי של ניקל מוקצף כדי לפרוץ צווארי בקבוק בביצועים:

שינוי חומרים מרוכבים: שילוב של גרפן וננו-צינוריות פחמן עם ניקל מוקצף לבניית רשת מוליכה סינרגטית של ניקל-פחמן, אשר מגבירה את המוליכות החשמלית של החומר ב-30%-50% תוך שיפור עמידות בפני קורוזיה;

שינוי פני השטח: יצירת שכבת מגן על פני השטח של ניקל מוקצף באמצעות ציפוי אלקטרוליטי של קובלט, סגסוגת ניקל-זרחן וכו'. קצב הקורוזיה באלקטרוליטים חומציים (כגון אלקטרוליטים של סוללות ליתיום-גופרית) מצטמצם לפחות מ-0.01 מ"מ/שנה (ניקל מוקצף ללא שינוי הוא כ-0.05 מ"מ/שנה);

אופטימיזציה מבנית: פיתוח ניקל קצף בעל נקבוביות גרדיאנטיות (גודל נקבוביות קטן על פני השטח, גודל נקבוביות גדול בשכבה הפנימית), אשר לא רק מבטיח טעינת חומרים פעילים אלא גם מפחית את עכבת האלקטרוליטים. טכנולוגיות רלוונטיות אומתו בדגימות מעבדה של ארגונים כמו קטל ו-BYD.

4.2 סטטוס יישום מעשי

ניקל קצף הגיע ליישום בקנה מידה גדול בשני סוגים של סוללות ליתיום-יון:

סוללות ליתיום-גופרית: מיזם מקומי משתמש בניקל קצף מצופה פחמן כקולט זרם קתודה. סוללות הליתיום-גופרית המיוצרות בעלות צפיפות אנרגיה של 450 וואט-שעה/ק"ג והן הותקנו במל"טים קטנים, כאשר זמן הסיבולת שלהן גדל ב-40% בהשוואה לסוללות ליתיום-יון מסורתיות;

סוללות חשמל: טסלה משתמשת באספני זרם אנודה מחוזקים בניקל במחקר ופיתוח של סוללות 4680, מה שמגדיל את קיבולת הטעינה-פריקה של הסוללה ל-4C (טעינה מלאה תוך 15 דקות) תוך הפחתת הסיכון לפריקת חום;

נכון לעכשיו, הבעיה המרכזית המגבילה יישומים בקנה מידה גדול היא עדיין העלות - עלות קולטי הזרם מקצף ניקל מהווה כ-8%-12% מסך כל העלות.חומר הסוללהעלות (קולטי זרם מסורתיים מהווים רק 3%-5%), ונדרשת הפחתה נוספת של עלויות באמצעות אופטימיזציה של תהליכים.

5. אתגרים וסיכויים

5.1 בעיות קיימות

בנוסף לבעיות העלות, ישנם שני אתגרים מרכזיים:

יציבות לא מספקת: בסוללות ליתיום-יון במתח גבוה (למשל, מעל 4.5 וולט), ניקל מוקצף נוטה לתגובות ממשק עם האלקטרוליט, ויוצר תרכובות ני³⁺, מה שמוביל לעלייה בעכבת הסוללה, וקצב דעיכת הקיבולת עולה על 25% לאחר 1000 מחזורים;

בקרת עקביות: במהלך ייצור בקנה מידה גדול, הסטייה בגודל הנקבוביות ובעובי של ניקל קצף עשויה לעלות על ±10%, וכתוצאה מכך יוצרים הבדלים בביצועים בין אצוות הסוללות ומשפיעים על בקרת האיכות של מפעלים במורד הזרם.

5.2 כיווני פיתוח עתידיים

הפחתת עלויות תהליך: פיתוח טכנולוגיית אלקטרודיפוזיציה ללא תבניות כדי לבטל את השימוש במצע קצף פוליאוריטן, מה שצפוי להפחית את עלויות הייצור ביותר מ-30%;

התאמה רב-תרחישית: עבור מערכות אחסון אנרגיה חדשות כגון סוללות ליתיום במצב מוצק וסוללות יון-נתרן, פיתוח חומרים שמקורם בניקל מוקצף בעלי עכבה נמוכה ותאימות גבוהה (למשל, נשאים אלקטרוליטים מוצקים מרוכבים מבוססי ניקל);

שדרוג התיעוש: הצגת מערכות בדיקה חזותית מבוססות בינה מלאכותית לשליטה בשגיאת העקביות של מוצרי ניקל מוקצף בטווח של ±5%, תוך עמידה בצורכי הייצור ההמוני של סוללות חשמל.