泡沫铜作为三维多孔、均匀互联的金属材料,由于其制备成本低、导电性好、高安全性、超充性能优异,有望成为半固态/固态锂电池的负极集流体。
根据斯坦福大学崔屹教授在Nature Energy 2024年2月28日的论文,提议构造一种多孔集流体的方案,作为复合集流体的下代产品,在提升能量密度的同时,将充电倍率提升4倍,实现了极快充电的目标;同时多孔负极集流体还可应用于硅基负极材料,有效解决了硅基材料崩塌的难题,为锂电尤其是固态电池能量密度进一步提升打开空间。

解密3D铜箔:如何提升固态电池的性能

解密3D铜箔:如何提升固态电池的性能
图为 菲美特铜箔

据了解,泡沫铜作为负极集流体材料的优势主要体现在:

(1)安全性高:穿刺时不会产生毛刺避免内短路。

(2)降本减重、能量密度高:铜用量约为传统铜箔的1/7。

(3)超充性能优异:预计可达7-10C。

(4)可以实现金属锂负极:泡沫铜集流体可抑制枝晶生长,缓解电极在充放电过程中的体积变化,并可通过提高亲锂性工艺的复合金属锂电极以实现负极与集流体的一体化,有利于实现金属锂负极应用进而加快半固态/固态电池产业化。
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▲ 图为在3D铜箔上合成薄片实现无枝晶锂金属负极的研究

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▲ 图为在3D铜箔上构建梯度用于稳定锂金属负极的研究


3D铜箔的技术优势

美国prieto公司描述了一种电池技术,其技术特点包括:

解密3D铜箔:如何提升固态电池的性能

▲ prieto技术示意图
  • 使用电沉积技术和交错的阳极与阴极设计,以增大电极表面积并缩短离子扩散路径,提高充放电效率。
  • 提供超快充电功能和高达5倍的功率密度,意味着电池能够快速充电并提供较大的功率输出。
  • 使用基于铜的阳极材料,提高了电池的体积能量容量。
  • 使用固体聚合物电解质,有效消除锂枝晶问题,增加了电池的安全性和寿命。
  •  更安全、不易燃的电池设计,同时增长了电池的使用寿命。
  • 使用标准行业内可获得的阴极材料,并可定制电池单元的电压和容量。
  •  采用基于水的电镀工艺,成本低廉且易于规模化生产。
总体上,海报宣传了一种创新的电池技术,强调了其快速充电、高能量密度、安全性以及成本效益。


Addionics公司通过重新设计架构,提供了专门改进的可充电电池。通过自身专利可扩展智能 3D 集流体™制造方法,我们提高了电池性能:容量、安全性、充电时间、寿命和电池成本。Addionics 新颖的智能 3D 结构最大限度地降低了内部电阻,并提高了机械寿命、热稳定性以及标准电池中的其他基本限制和退化因素。这一过程可同时显著改变所有关键电池特性的性能,并降低拥有成本。


技术优势:
  • 更高的能量密度:可延长电动汽车的行驶里程 电池可用容量显著增加
  • 降低内阻:3D 结构可使整个电极的温度分布均匀,从而实现更高效的散热,缩短充电时间,更高的放电率可提供高功率能力,尽量减少加速,降解的“热点”的形成,延长电池寿命,在极端温度环境下运行。
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▲ 图片Addionics 3D铜箔
  • 更高的机械稳定性:3D 结构设计极大地提高了机械稳定性和附着力,并且能够更好地处理电池膨胀,特别是对于新兴化学物质,提高电池安全性 ,延长电池寿命 ,尽量减少开裂和脱层,降低多个应用程序的成本。
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▲ 图 体积膨胀时示意图

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▲ 图体积收缩时示意图


  • 高功率高能量比
Addionics 的 3D 结构优化了薄电极和厚电极的功率和能量之间的平衡,实现了最佳功率能量比可用于高能量和高功率应用厚度灵活,适应不同的应用和电池尺寸,通过减少电极数量, 实现成本节约和空间利用,在新兴高能电池技术中实现非常厚的阴极。

 

3D铜箔制备流程
3D铜箔有多种制备方式:生产方式有激光或机器方式打孔,使用化学反应的方式在铜箔表面生长出三维结构,常见的方式有:发泡的方式、电沉积法。

电沉积法制备泡沫铜的原理是在网状结构的有机基体(通常为聚氨酯树脂)上,通过化学镀获得一层薄的金属膜而使基体具有导电性,然后再通过电镀的方法在其表面上镀-层金属。最后,通过焙烧除去有机基体从而获得具有空间网状结构的泡沫金属。

采用聚氨脂泡沫为基体,经预处理、化学镀、电沉积和烧结还原工艺制备泡沫铜,通过电子扫描电镜(SEM)观察制备过程中泡沫的形貌,并测定泡沫铜的主要物理性能。

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▲ 图片 电沉积法流程示意图

1.预处理

(1)除油:除油除去泡沫材料表面的油性物质,以防止油性物质对化学镀的影响。

(2)粗化。粗化就是将除油后的泡沫材料放入粗化液中打开泡沫基体的盲孔,并在其表面形成亲水基团,同时使其表面的粗糙度增加。

(3)敏化。敏化是在泡沫材料表面吸附一层具有还原性的金属离子-亚锡离子(Sn2+)。敏化液的主要成分是氯化亚锡和盐酸。敏化温度 45℃℃,敏化时间为5min。敏化过程中,应加入锡粒,泡沫材料表面生成一层乳白色的乳状物质 Sn(OH)C1,它使泡沫基体上形成一层均匀的吸附膜。

(4)活化。活化是在基体表面形成具有催化作用的金属层,Pd的活化作用如式下面的方程式所示[由(Pd-Cl4)2形成 Pd核]。(PdCl4)2-+Sn2+→Pd+Sn4++4Cl-。

(5)解胶。经活化后的泡沫材料用10%的盐酸溶液清洗 1min 就可以解胶 ,其目的是为了除去覆盖在 Pd 表面的凝胶层,使 Pd 原子露于表面,起催化作用。

2.化学镀铜

在具有催化活性的泡沫表面上,利用还原反应在泡沫表面沉积一层金属铜,使其具有导电性,可以进一步电镀。将预处理过的泡沫材置于化学镀铜溶液中,化学镀铜后泡沫的结构形貌见下图。从图中可以看出 ,化学镀层较薄且不均匀。
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▲ 图片化学镀铜后泡沫的结构形貌


3.电镀铜
为了加强泡沫的韧性、强度,对其进行电镀铜。将泡沫浸入含有铜盐(如 Cus0)的溶液中作为阴极 ,金属铜板作为阳极,接通直流电源后,就会在泡沫上沉积出金属铜镀层。根据尺寸调整所需的电流。
使泡沫表面迅速生成一层稳固的铜层,使其导电均匀防止化学镀层不均匀的影响,使最终生成的材料镀层均匀。电镀铜后的结构形貌见下图,从下图中可明显看出铜镀层加厚 ,但表面粗糙.晶粒不均匀。
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▲ 图片电镀后泡沫的结构形貌


4.烧结还原
电镀后泡沫铜中仍存在聚氨酸有机基体.采用焚烧的方法,将有机体分解。焚烧过程中,会使部分铜被氧化,而且电镀产生的铜很脆,所以需要进行还原退火处理。
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▲ 图片烧结后泡沫的结构形貌

 

3D铜箔的应用
泡沫铜箔应用领域广泛在电极材料、触媒、阻燃材料、降噪屏蔽材料、过滤材料等方面多有应用。 根据企业菲美特透露目前沫铜产品价格暂时高于传统铜箔,但是用量将远低于现有铜箔,菲美特的泡沫铜业务,现已实现近千平米级订单规模交付,并已成功取得某头部电池企业的认可。
泡沫铜作为结构材料,具有轻质、高比强度的特性,相比传统6微米电解铜箔及复合铜箔,能显著降低电池重量、提高电池能量密度,有望成为低空经济轻量化的核心材料,为低空经济的发展提供重要支持。
美国Prieto 公司的3D电池利用自身的专利的铜泡沫基材,能够让能量在任意方向流动,并且离子传输路径大大缩短,具备了超快充电,极端温度-30℃至+100°C运行、实现3倍能量密度的特点。使用Prieto 3D固态电池的商业和私人应用中设备更加可靠,Prieto的高密度固态电池解决方案为商业和娱乐车辆从为无人机提供动力到通信,再到现场的运输系统提供动力。
Addionics表示许多公司试图融合先进的金属结构技术,但技术不足以支持。只有通过采用更为智能的设计,如先进的3D复合集流体™技术,才能实现硅、固态及先进锂离子技术的商业化 。

文章内容图片来源

prieto公司官网信息、Addionics公司官网信息

《电沉积法制备泡沫金属铜》西安交通 张秋利,杨志懋,丁秉钧;原文链接:https://wenku.baidu.com/view/23b566f4d25abe23482fb4daa58da0116c171f33.html?_wkts_=1719816676610&bdQuery=%E6%B3%A1%E6%B2%AB%E9%93%9C+%E5%88%B6%E5%A4%87%E5%B7%A5%E8%89%BA&needWelcomeRecommand=1

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活动推荐
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会议议程
2024年7月17日(周三):14:00~18:00签到
2024年7月18日(周四):7:30~8:50签到;8:50~18:00 会议


会议议题(更新中)


序号

议题

演讲单位

1

比克在半固态电池的研究进展

比克电池 林建 研究院院长

2

半固态锂离子电池关键材料及安全机制的研究

万向一二三 王方 博士

3

全固态电池研发进展

中科固能 吴凡 董事长/中科院教授

4

全固态电池工程化及制造装备探索

星楷科技 黄璟 总经理

5

低空飞行领域固态电池开发与应用

恩力动力 古兆坤 销售总监

6

功能型硫银锗矿电解质设计及固-固界面调控构筑高性能全固态电池

华中科技大学 余创 教授

7

干法电极工艺在固态电池中的实验应用与量产实践

琥崧科技 龚本利 研究院院长

8

固态电解质在锂离子电池中的应用

合源锂创

9

干法电极&卤化物电解质赋能高比能全固态电池

有研科技集团 赵昌泰 教授/研究员

10

全固态电池技术成熟度提升的关键因素

邀请中…

11

基于固态电解质的高容量层状氧化物

邀请中…

12

正极材料超高镍技术研究进展

邀请中…

13

锂金属负极在全固态电池中的应用及其挑战

邀请中…

14

如何解决全固态电池在低温环境下的性能问题

邀请中…

15

粉体处理技术在固态电池制造中的应用与挑战

邀请中…

更多议题更新中……


参会名单(更新至6.28)


姓名
职位
公司
赵**
市场总监
蜂巢能源股份有限公司
刘**
工程师
孚能科技
彭**
工艺开发高级工程师
孚能科技(赣州)股份有限公司
任**
经理
复阳固态储能科技有限公司
陈**
研发负责人
高能时代
张**
研发工程师
广汽研究院
朱**博士
三孚研究院院长
广州三孚新材料科技股份有限公司
梁**
营销助理
广州三孚新材料科技股份有限公司
王**
经理
国联汽车动力电池研究院
余**
教授
华中科技大学
俞**
高级研发工程师
江苏中天科技股份有限公司
吴**
董事长
溧阳中科固能新能源科技有限公司
赵**
工程师
溧阳中科固能新能源科技有限公司
刘**
工艺工程师
瑞逍(上海)新能源科技有限公司
林**
Cto
深圳市比克动力电池有限公司
李**
电芯工艺工程师
苏州清陶能源科技
姜**
采购经理
苏州清陶新能源科技有限公司
张**
研发部主管
苏州清陶新能源科技有限公司
王**
产品总监
太蓝新能源
高**
资深专家
天能储能
谭**
研发工程师
万向一二三
丁**
材料研发工程师
万向一二三股份公司
苏**
基础研发总监
万向一二三股份公司
王**
半固态技术开发经理
万向一二三股份公司
蒋**
CEO
未来光电科技(江苏)有限公司
谭**
产品经理
欣旺达电子股份有限公司
赵**
教授级高级工程师
有研(广东)新材料技术研究院
梁**
部长
有研(广东)新材料技术研究院
黄**
总经理
浙江星楷科技有限公司
张**
经理
浙江星楷科技有限公司
徐**
总工程师
浙江远程商用车研发有限公司
王**
技术
昆山捷翔工业设备有限公司
王**
研发工程师
正力新能
仝**
博士
中创新航
赵**
电池工程师
中创新航
张**
市场总监
重庆太蓝新能源
陈**
销售总监
江苏先导微电子科技有限公司
孙**
产品经理
江苏先导微电子科技有限公司
黄**
总经理
码科泰克(上海)探伤设备有限公司
沈**
总经理
博路威机械江苏有限公司
待**
经理
博路威机械江苏有限公司
待**
经理
博路威机械江苏有限公司
张**
销售经理
布鲁克纳机械(中国)有限公司
葛**
技术
巴斯夫(中国)有限公司
李**
项目经理
赋伟咨询
陈**博士
研发经理
广州理文科技有限公司
龚**
研究院院长
琥崧科技集团股份有限公司
赵**
经理
琥崧科技集团股份有限公司
张**
经理
琥崧科技集团股份有限公司
赵**
业务总监
惠州毅领智能装备有限公司
吴**
研发总监
江苏博阳
卢**
营业部张
爱发科自动化
卢**
总经理
铧鹏(上海)新能源科技有限公司
卢**
工艺智造部
因湃电池科技有限公司
朱**
技术经理
南京度锐新材料科技有限公司
陈**
副总经理
上海村田激光技术有限公司
待**
经理
上海村田激光技术有限公司
待**
经理
上海村田激光技术有限公司
张**
研究院院长
上海回天新材料有限公司
李**
研发总监
上海回天新材料有限公司
吕**
高级主管
上海伊藤忠商事有限公司
高**
研发工程师
中材锂膜有限公司
王**
大客户经理
深圳市卓茂科技有限公司
田**
总经理
苏州福达新材料科技有限公司
赵**
研究院院长
深圳市格瑞普电池有限公司
李**
总经理
苏州东福来机电科技有限公司
陆**
资本中心负责人
协鑫集团
李**
销售经理
英国博腾电子产品有限公司
薛**
销售总监
浙江泰之信化学有限公司
刘**
总监
卓茂科技


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原文始发于微信公众号(锂电产业通):解密3D铜箔:如何提升固态电池的性能

 
新能源汽车的快速发展带动了动力电池的高速增长。动力电池生产流程一般可以分为前段、中段和后段三个部分。其中,前段工序包括配料、搅拌、涂布、辊压、分切等,中段工序包括卷绕/叠片、封装、烘干、注液、封口、清洗等,后段主要为化成、分容、PACK等。材料方面主要有正负极材料,隔膜,电解液,集流体,电池包相关的结构胶,缓存,阻燃,隔热,外壳结构材料等材料。 为了更好促进行业人士交流,艾邦搭建有锂电池产业链上下游交流平台,覆盖全产业链,从主机厂,到电池包厂商,正负极材料,隔膜,铝塑膜等企业以及各个工艺过程中的设备厂商,欢迎申请加入。

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作者 808, ab

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