신에너지 전기 자동차와 전기 항공기의 급속한 발전으로 인해 주행 거리 연장에 대한 수요는 점점 더 에너지-고밀도 리튬-이온 배터리(LIB)에 의존하고 있습니다.

신에너지 전기 자동차와 전기 항공기의 급속한 발전으로 인해 두 분야 모두에서 주행 거리 연장에 대한 수요가 점점 더 에너지-고밀도 리튬-이온 배터리(LIB)에 의존하고 있습니다.

현재 기존 액체 배터리에서는 다공성 전극 내 Li+ 이온의 효과적인 이동 경로 길이가 중요합니다. 이 길이는 면적 부하에 따라 증가하여 빠른-충전 성능을 직접적으로 제한합니다. 업계에서는 다양한 전략이 제안됐는데, 그 중 전극을 얇게 만드는 것은 율성능을 향상시키는 주요 방법 중 하나이지만 이 방법은 배터리 에너지 밀도를 희생시킨다.

배터리의 궁극적인 목표인 전고체 배터리는{0}}수율과 비용 이상의 문제에 직면해 있습니다. 가장 큰 병목 현상 중 하나는 리튬 수지상 결정 형성 문제를 해결하는 것입니다. 리튬금속은 배터리용 음극재로 가장 유망하지만 수지상 성장, 리튬의 높은 반응성, 부피 팽창 등으로 인해 리튬금속 배터리에 안전상의 위험이 있어 2차전지에 리튬금속 음극을 실용화하는 데 걸림돌이 되고 있다.

이 두 가지 주요 문제점은 현재 동일한 솔루션, 즉 발포 구리를 가리키고 있습니다. 3D 구리라고도 알려진 발포 구리는 많은 독특한 특성과 장점을 지닌 새로운 배터리 소재입니다. 발포 구리는 균일하게 분포된 상호 연결된 기공이 많이 있는 금속 재료로, 우수한 전도성과 연성을 나타냅니다. 리튬-이온 배터리 응용 분야에서 1세대-동박 집전체 및 2세대-복합 집전체와 비교하여 발포 금속 집전체는 3세대를 대표합니다. 이 3세대-집전체는 중국이 전고체전지 산업화를 세계 최초로 달성할 수 있는지 여부를 결정하는 핵심 요소이기도 합니다.

첫째, 배터리 소재인 발포 구리는 전도성이 높아 배터리의 충방전 효율을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 다공성 구조로 전극과 전해질 사이의 접촉 면적을 늘려 배터리의 에너지 밀도와 사이클 안정성을 향상시킨다. Cu 및 Al을 포함한 고체 금속 호일과 같은 기존 집전체(TCC)는 다공성이 부족하고 전해질이 투과되지 않습니다. 따라서 이러한 TCC는 Li+ 수송을 촉진하지 않으며 전극 간 Li+ 수송을 한쪽으로만 제한하여 빠른-충전 성능을 제한합니다.

대조적으로, 발포 구리의 다공성 설계는 Li+ 이온이 집전체와 분리막을 동시에 통과할 수 있도록 하여 유효 Li+ 이동 거리를 절반으로 줄이고 에너지 밀도에 영향을 주지 않으면서 확산-제한 C- 속도 성능을 4배 증가시킵니다. 현재 국내외 유수-고효율 배터리 제조사들이 비교 연구를 진행하고 있습니다. 최신 Nature 기사에 따르면 이 집전체를 사용하는 배터리는 높은 비에너지(276Wh kg⁻1)와 상당히 빠른-충전 성능을 나타내며 4C(78.3% C/C), 6C(70.5% C/C) 및 10C(54.3% C/C)의 속도에서 작동합니다. 이 다공성 전류 수집기 설계는 기존 배터리 제조 공정 및 기타 고속 충전 전략과 호환되어 배터리 구성을 풍부하게 하고 차세대 배터리 설계를 위한 더 나은 아이디어를 제공합니다.-

둘째, 전고체 배터리-의 가장 큰 문제인-리튬 덴드라이트 형성-구리 폼의 높은 표면적은 전극 면적을 효과적으로 확장하여 전기화학 반응을 위한 더 많은 활성 사이트를 제공합니다. 이로 인해 전류 밀도와 배터리 용량이 높아집니다. 더 중요한 것은, 더 큰 반응 면적은 더 작은 단위 전류를 의미하며, 이는 리튬 덴드라이트 형성을 크게 향상시킬 것입니다. 이는 이미 선도적인 배터리 제조업체의 실험실에서 응축형-및 고체-상태 배터리에 널리 사용되고 있습니다.

또한 구리 폼은 기계적 강도와 안정성이 뛰어나 배터리 사이클링 중에 발생하는 응력을 견딜 수 있어 배터리 수명을 연장합니다. 이는 고체 배터리에도 매우 매력적입니다.-

GWh 배터리 1개당 동박 6m당 구리 700톤이 필요하며, 복합집전체의 무게는 약 300톤으로 약 250톤의 구리가 필요하다. 발포 구리는 약 100톤만 필요합니다. 장기적으로 구리 가격이 상승할 것으로 예상되는 상황에서 구리 사용량을 크게 줄이면 많은 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 배터리의 에너지 밀도도 크게 향상시킬 수 있습니다.