עם הפיתוח המהיר של כלי רכב חשמליים ומטוסים חשמליים חדשים באנרגיה, הביקוש להרחבת טווח נסיעה בשניהם מסתמך יותר ויותר על סוללות -ליתיום-צפופות באנרגיה (LIBs)

עם ההתפתחות המהירה של כלי רכב חשמליים ומטוסים חשמליים חדשים באנרגיה, הדרישה להרחבת טווח נסיעה בשניהם מסתמכת יותר ויותר על סוללות ליתיום-צפופות באנרגיה (LIBs).

נכון לעכשיו, בסוללות נוזליות מסורתיות, אורך נתיב ההובלה היעיל של יוני Li+ בתוך האלקטרודה הנקבובית הוא קריטי. אורך זה גדל עם העומס השטחי, ומגביל ישירות את ביצועי הטעינה המהירה-. אסטרטגיות שונות הוצעו בתעשייה, ביניהן דילול אלקטרודות הוא אחת השיטות העיקריות לשיפור ביצועי הקצב, אך שיטה זו באה במחיר של צפיפות אנרגיית הסוללה.

סוללות-מצב מוצק, כיעד הסופי של סוללות, מתמודדות עם אתגרים מעבר לתפוקה ולעלות; אחד מצווארי הבקבוק הגדולים ביותר הוא פתרון הבעיה של היווצרות דנדריט ליתיום. מתכת ליתיום היא חומר האנודה המבטיח ביותר לסוללות, אך צמיחת דנדריטים, התגובתיות הגבוהה של ליתיום והתרחבות נפח מהווים סכנות בטיחותיות לסוללות מתכת ליתיום, ומפריעות ליישום המעשי של אנודות מתכת ליתיום בסוללות נטענות.

שתי נקודות הכאב העיקריות הללו מצביעות כיום על אותו פתרון: נחושת מוקצפת. נחושת מוקצפת, הידועה גם בשם נחושת תלת מימדית, היא חומר סוללה חדש בעל תכונות ויתרונות ייחודיים רבים. נחושת מוקצפת היא חומר מתכתי עם מספר רב של נקבוביות המחוברות זו בזו המפוזרות באופן אחיד, המציג מוליכות וגמישות טובה. ביישומי סוללת ליתיום-יונים, בהשוואה לקולטי זרם-הדור הראשון של רדיד נחושת וקולטי זרם מרוכבים מהדור השני-, קולטי זרם מתכת מוקצף מייצגים את הדור השלישי. קולט זרם מהדור השלישי הזה הוא גם גורם מפתח הקובע אם סין יכולה להיות הראשונה בעולם להשיג את התיעוש של כל-סוללות המצב המוצק-.

ראשית, נחושת מוקצפת, כחומר סוללה, היא בעלת מוליכות גבוהה, המסייעת לשפר את יעילות הטעינה והפריקה של הסוללה. המבנה הנקבובי שלו מגדיל את שטח המגע בין האלקטרודה לאלקטרוליט, ובכך משפר את צפיפות האנרגיה של הסוללה ואת יציבות המחזור. קולטי זרם מסורתיים (TCCs), כגון רדיד מתכת מוצק כולל Cu ו-Al, חסרי נקבוביות והם אטומים לאלקטרוליט. לכן, TCCs אלה אינם מקלים על הובלת Li+ ומגבילים את הובלת Li+ בין אלקטרודות לצד אחד בלבד, ומגבילים את ביצועי הטעינה המהירה-.

לעומת זאת, העיצוב הנקבובי של נחושת מוקצפת מאפשר ליוני Li+ לעבור גם דרך קולט הזרם וגם המפריד בו-זמנית, ובכך להפחית בחצי את מרחק ההובלה היעיל של Li+ ולהגדיל את ביצועי קצב הדיפוזיה-המוגבלת- פי ארבעה מבלי להשפיע על צפיפות האנרגיה. נכון לעכשיו, יצרני סוללות-מובילים מובילים בארץ ובעולם ערכו מחקרים השוואתיים. על פי המאמר האחרון של Nature, סוללות המשתמשות בקולט זרם זה מציגות אנרגיה ספציפית גבוהה (276 וואט ק"ג⁻¹) ויכולות טעינה מהירה- משמעותית, הפועלות בקצבים של 4 C (78.3% C/C), 6 C (70.5% C/C) ו-10 C (54.3% C/C). עיצוב קולט זרם נקבובי זה תואם לתהליכי ייצור סוללות קיימים ואסטרטגיות{16}}טעינה מהירות אחרות, מעשיר את תצורות הסוללה ומספק רעיונות טובים יותר לעיצוב סוללות-הדור הבא.

שנית, בנוגע לבעיה הגדולה ביותר בסוללות-מצב מוצק-היווצרות דנדריט ליתיום-שטח הפנים הגבוה של קצף נחושת מרחיב למעשה את שטח האלקטרודות, ומספק אתרים פעילים יותר לתגובות אלקטרוכימיות. זה מוביל לצפיפות זרם גבוהה יותר ולקיבולת הסוללה. חשוב מכך, אזור התגובה הגדול יותר פירושו זרם יחידה קטן יותר, אשר ישפר מאוד את היווצרות דנדריט ליתיום. הוא כבר נמצא בשימוש נרחב בסוללות-מצב מוצק-מוצק במעבדות של יצרני סוללות מובילים.

יתר על כן, לקצף נחושת יש גם חוזק ויציבות מכאניים טובים, המסוגל לעמוד בלחץ שנוצר במהלך רכיבת סוללה, ומאריך את חיי הסוללה. זה גם מאוד אטרקטיבי עבור סוללות מוצק-.

כל סוללת GWh דורשת 700 טון נחושת עבור 6 מ' של רדיד נחושת, וקולטן הזרם המרוכב שוקל כ-300 טון, ומצריך כ-250 טון נחושת. נחושת מוקצפת דורשת רק כ-100 טון. ההפחתה המשמעותית בשימוש בנחושת, בהתחשב בציפייה הנוכחית לעליית מחירי הנחושת לטווח ארוך-, יכולה לא רק לחסוך בעלויות רבות אלא גם לשפר משמעותית את צפיפות האנרגיה של הסוללה.