دراسة حول رغوة النيكل لبطاريات الليثيوم أيون

1. المقدمة

باعتبارها جهاز تخزين الطاقة الأساسي للمركبات ذات الطاقة الجديدة ومحطات تخزين الطاقة والمعدات الإلكترونية المحمولة، فإن بطاريات الليثيوم أيون لها كثافة الطاقة وعمر دورة الحياة والسلامة التي تحدد بشكل مباشر سقف تطوير الصناعات اللاحقة.رغوة النيكل بفضل مزاياها التآزرية بين البنية والأداء، أظهرت أداءً متميزًا في حل مشكلات مثل انخفاض كفاءة مجمعات تيار بطاريات الليثيوم أيون التقليدية وقلة استخدام المواد الفعالة. وأصبحت مادةً مساعدةً أساسيةً في أبحاث وتطوير بطاريات الليثيوم أيون عالية الأداء. تحلل هذه الورقة خصائصها الأساسية، وآلية عملها، وتطور تطبيقاتها.

2. التحليل الأساسي لرغوة النيكل

2.1 البنية والخصائص

يتميز نيكل الرغوة ببنية شبكية ثلاثية الأبعاد مترابطة، بمسامية نموذجية تتراوح بين 80% و95%، ومساحة سطح نوعية تصل إلى 1-5 متر مربع/غرام، ومقاومة كهربائية منخفضة تتراوح بين 5-10 ميكرو أوم·سم في درجة حرارة الغرفة، وقوة شد تتراوح بين 15 و30 ميجا باسكال تقريبًا. تُمكّن المسامية العالية من تحميل المواد الفعالة (مثل كاثودات الكبريت والأنودات القائمة على السيليكون) في بطاريات أيونات الليثيوم (أعلى بنسبة 20% إلى 40% من مجمعات التيار التقليدية المصنوعة من رقائق الألومنيوم)؛ كما أن الموصلية الكهربائية الممتازة والقوة الميكانيكية تُقللان من فقدان انتقال الإلكترونات، مع تحمل تمدد حجم الأقطاب الكهربائية أثناء دورات الشحن والتفريغ، مما يوفر دعمًا هيكليًا للتشغيل المستقر طويل الأمد للبطاريات.

2.2 عمليات التحضير

تنقسم طرق التحضير السائدة إلى الترسيب الكهربائي والاختزال الكيميائي:

طريقة الترسيب الكهربائي: باستخدام رغوة البولي يوريثان كركيزة، تُرسَب طبقة من النيكل على سطح الهيكل من خلال عملية طلاء كهربائي، تليها إزالة الشحوم والتلبيد الاختزالي بدرجة حرارة عالية لتشكيل رغوة النيكل. يمكن أن تصل نقاء المنتج إلى أكثر من 99.5%، مع خطأ في تجانس الفتحة أقل من 5%. ومع ذلك، فإن الاستثمار في معدات الطلاء الكهربائي مرتفع، وتتراوح تكلفة الإنتاج للطن الواحد بين 30,000 و50,000 يوان صيني تقريبًا.

طريقة الاختزال الكيميائي: يُخلط محلول ملح النيكل مع عامل اختزال (مثل هيبوفوسفيت الصوديوم)، ويحدث تفاعل اختزال على سطح القالب المسامي لتكوين طبقة من النيكل. تبلغ تكلفتها 60%-70% فقط من تكلفة طريقة الترسيب الكهربائي، مما يجعلها مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة تصل إلى 10,000 طن. مع ذلك، تتأثر نقاء المنتج بسهولة بالشوائب، وقد يحدث تساقط للبنية المجهرية مع الاستخدام طويل الأمد.

يجب تحديد اختيار العمليتين بشكل شامل بناءً على سيناريو تطبيق بطاريات الليثيوم أيون (على سبيل المثال، تتمتع بطاريات الطاقة بمتطلبات عالية من النقاء، بينما تركز بطاريات تخزين الطاقة بشكل أكبر على التكلفة).

3. آلية العمل في بطاريات الليثيوم أيون

3.1 دوره كمجمع لتيار القطب الكهربي

عند استخدامه كمجمّع تيار مهبطي أو موجب، يُمكن للبنية الشبكية ثلاثية الأبعاد لرغوة النيكل بناء شبكة موصلة ثلاثية الأبعاد. يُقلّل طول مسار نقل الإلكترونات بنسبة 40%-60% مقارنةً برقائق المعادن التقليدية (مثل رقائق الألومنيوم والنحاس)، مما يُقلّل المقاومة الداخلية للبطارية بنسبة 15%-25%. في الوقت نفسه، يُمكن لبنيته المسامية استيعاب المزيد من الإلكتروليت، مما يُحسّن كفاءة نقل الأيونات. في اختبار الشحن والتفريغ بمعدل 1C، يزداد معدل الاحتفاظ بسعة البطارية بنسبة 8%-12% مقارنةً بمجمّعات التيار التقليدية، ويُحسّن أداء المعدل بشكل ملحوظ.

3.2 أداء النشاط التحفيزي

في بطاريات الليثيوم الهوائية، يمكن لذرات النيكل على سطح نيكل الرغوة أن تعمل كمواقع نشطة محفزة لتفاعل اختزال الأكسجين (أور) وتفاعل تطور الأكسجين (الموارد التعليمية المفتوحة)، مما يقلل من طاقة تنشيط التفاعل بنحو 0.2-0.3 إلكترون فولت ويضيق فجوة جهد الشحن والتفريغ للبطارية بنسبة 10٪ -15٪؛ في بطاريات الليثيوم والكبريت، يمكن لنيكل الرغوة أن يثبط تأثير مكوك بولي كبريتيد الليثيوم ويقلل من فقدان المواد النشطة من خلال الامتزاز الكيميائي، مما يقلل من معدل اضمحلال سعة البطارية بعد 500 دورة إلى أقل من 20٪ (عادة ما تتجاوز البطاريات التقليدية 30٪).

3.3 التأثير الشامل على أداء البطارية

من منظور بيانات الاختبار الفعلية، بطاريات أيون الليثيوم باستخدام مجمعات التيار المصنوعة من رغوة النيكل:

تتم زيادة كثافة الطاقة بنسبة 10% -30% (على سبيل المثال، تتم زيادة بطاريات الليثيوم الثلاثية من 280 واط/كجم إلى 350 واط/كجم)؛

يتم تمديد عمر الدورة بنسبة 50% -100% (على سبيل المثال، يتجاوز معدل الاحتفاظ بالسعة لبطاريات فوسفات الحديد الليثيوم بعد 2000 دورة 85%، في حين أن معدل الاحتفاظ بالسعة للبطاريات التقليدية يبلغ حوالي 60%)؛

تم تحسين الأداء في درجات الحرارة المنخفضة، وتم زيادة كفاءة الشحن والتفريغ عند -20 درجة مئوية بنسبة 15% -20% مقارنة بالبطاريات التقليدية، مما يمكن أن يلبي احتياجات استخدام المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة في المناطق الشمالية الباردة.

4. تقدم البحث وحالات التطبيق

4.1 اتجاهات البحث المتطورة

تركز الأبحاث الحالية على تعديل رغوة النيكل لاختراق اختناقات الأداء:

التعديل المركب: الجمع بين الجرافين وأنابيب الكربون النانوية مع رغوة النيكل لبناء شبكة موصلة تآزرية من النيكل والكربون، مما يزيد من التوصيل الكهربائي للمادة بنسبة 30% -50% مع تعزيز مقاومة التآكل؛

تعديل السطح: تشكيل طبقة واقية على سطح نيكل الرغوة من خلال الطلاء الكهربائي للكوبالت وسبائك النيكل والفوسفور وما إلى ذلك. يتم تقليل معدل التآكل في الإلكتروليتات الحمضية (مثل إلكتروليتات بطاريات الليثيوم والكبريت) إلى أقل من 0.01 مم / سنة (يبلغ معدل التآكل في نيكل الرغوة غير المعدل حوالي 0.05 مم / سنة)؛

تحسين البنية: تطوير رغوة نيكل متدرجة المسام (مسام صغيرة على السطح، ومسام كبيرة في الطبقة الداخلية)، مما يضمن تحميل المواد الفعالة ويقلل أيضًا من معاوقة الإلكتروليت. وقد تم التحقق من التقنيات ذات الصلة في عينات مختبرية لشركات مثل كاتل وBYD.

4.2 حالة التطبيق العملي

حققت رغوة النيكل تطبيقًا واسع النطاق في نوعين من بطاريات الليثيوم أيون:

بطاريات الليثيوم-الكبريت: تستخدم إحدى الشركات المحلية رغوة النيكل المغلفة بالكربون كمجمّع لتيار الكاثود. تبلغ كثافة طاقة بطاريات الليثيوم-الكبريت المُنتجة 450 واط/كجم، وقد تم تركيبها في طائرات بدون طيار صغيرة، مع زيادة في مدة تحملها بنسبة 40% مقارنةً ببطاريات أيونات الليثيوم التقليدية.

بطاريات الطاقة: تستخدم شركة تسلا مجمعات التيار الأنودية المقواة بالنيكل الرغوي في البحث والتطوير للبطاريات 4680، مما يزيد من معدل سعة الشحن والتفريغ للبطارية إلى 4C (شحن كامل في 15 دقيقة) مع تقليل خطر الانفلات الحراري؛

في الوقت الحالي، لا تزال التكلفة هي القضية الأساسية التي تقيد التطبيقات واسعة النطاق - حيث تمثل تكلفة مجمعات تيار النيكل الرغوي ما يقرب من 8% -12% من الإجماليمادة البطاريةالتكلفة (تمثل المجمعات الحالية التقليدية 3% -5%) فقط، ويتطلب الأمر المزيد من خفض التكلفة من خلال تحسين العملية.

5. التحديات والآفاق

5.1 المشاكل الموجودة

بالإضافة إلى قضايا التكلفة، هناك تحديان أساسيان:

عدم الاستقرار الكافي: في بطاريات الليثيوم أيون ذات الجهد العالي (على سبيل المثال، أعلى من 4.5 فولت)، يكون النيكل الرغوي عرضة لتفاعلات الواجهة مع الإلكتروليت، مما يؤدي إلى توليد مركبات ني³⁺، مما يؤدي إلى زيادة معاوقة البطارية، ويتجاوز معدل اضمحلال السعة 25% بعد 1000 دورة؛

التحكم في الاتساق: أثناء الإنتاج على نطاق واسع، من المرجح أن يتجاوز انحراف حجم المسام وسمك نيكل الرغوة ± 10٪، مما يؤدي إلى اختلافات في الأداء بين دفعات البطاريات ويؤثر على مراقبة الجودة للمؤسسات اللاحقة.

5.2 اتجاهات التطوير المستقبلية

خفض تكاليف العملية: تطوير تقنية الترسيب الكهربائي بدون قالب دي دي اتش لإزالة ركيزة رغوة البولي يوريثين، والتي من المتوقع أن تقلل تكاليف الإنتاج بنسبة تزيد عن 30٪؛

التكيف مع السيناريوهات المتعددة: بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة الجديدة مثل بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة وبطاريات أيون الصوديوم، تطوير مواد مشتقة من النيكل الرغوي ذات معاوقة منخفضة وتوافق عالٍ (على سبيل المثال، حاملات الإلكتروليت الصلبة المركبة القائمة على النيكل)؛

ترقية التصنيع: تقديم أنظمة التفتيش البصري بالذكاء الاصطناعي للتحكم في خطأ الاتساق لمنتجات النيكل الرغوي بنسبة ±5٪، وتلبية احتياجات الإنتاج الضخم للبطاريات الكهربائية.