1. Inleiding
Omdat lithium-ionbatterijen het belangrijkste energieopslagapparaat vormen voor nieuwe energievoertuigen, energiecentrales en draagbare elektronische apparatuur, zijn hun energiedichtheid, levensduur en veiligheid doorslaggevend voor de ontwikkelingsplafond van de verwerkende industrieën.Nikkelschuim Dankzij de synergetische voordelen van "structuur-prestatie", heeft het uitstekende prestaties geleverd bij het oplossen van problemen zoals de lage efficiëntie van traditionele lithium-ionbatterijstroomcollectoren en onvoldoende gebruik van actieve materialen. Het is een belangrijk hulpmateriaal geworden voor onderzoek en ontwikkeling van hoogwaardige lithium-ionbatterijen. Dit artikel analyseert de kernkenmerken, het werkingsmechanisme en de toepassingsvoortgang.
2. Basisanalyse van schuimnikkel
2.1 Structuur en eigenschappen
Schuimnikkel vertoont een driedimensionale, onderling verbonden netwerkstructuur met een typische porositeit van 80%-95%, een specifiek oppervlak tot 1-5 m²/g, een soortelijke weerstand van slechts 5-10 μΩ·cm bij kamertemperatuur en een treksterkte van ongeveer 15-30 MPa. De hoge porositeit maakt een hoge belasting van actieve materialen (zoals zwavelkathodes en siliciumanodes) in lithium-ionbatterijen mogelijk (20%-40% hoger dan traditionele aluminiumfolie stroomcollectoren); de uitstekende elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte kunnen het verlies van elektronentransmissie verminderen en zijn bestand tegen de volume-expansie van elektroden tijdens laad-ontlaadcycli, wat structurele ondersteuning biedt voor de stabiele werking van batterijen op lange termijn.
2.2 Voorbereidingsprocessen
De belangrijkste bereidingsmethoden worden onderverdeeld in elektrodepositie en chemische reductie:
Elektrodepositiemethode: Met polyurethaanschuim als substraat wordt een nikkellaag op het skeletoppervlak aangebracht door middel van een galvanisatieproces, gevolgd door ontvetten bij hoge temperatuur en reductiesinteren om nikkelschuim te vormen. De productzuiverheid kan meer dan 99,5% bereiken, met een apertuuruniformiteitsfout van minder dan 5%. De investering in galvanisatieapparatuur is echter hoog en de productiekosten per ton bedragen ongeveer 30.000-50.000 RMB;
Chemische reductiemethode: Een nikkelzoutoplossing wordt gemengd met een reductiemiddel (zoals natriumhypofosfiet), waarna een reductiereactie plaatsvindt op het oppervlak van de poreuze mal om een nikkellaag te vormen. De kosten bedragen slechts 60%-70% van die van de elektrolytische afzettingsmethode, waardoor deze geschikt is voor massaproductie op 10.000 ton. De zuiverheid van het product wordt echter gemakkelijk beïnvloed door onzuiverheden en er kan microstructurele afstoting optreden bij langdurig gebruik.
De keuze voor de twee processen moet uitgebreid worden bepaald op basis van het toepassingsscenario van de lithium-ionbatterijen (zo stellen powerbatterijen hoge eisen aan de zuiverheid, terwijl energieopslagbatterijen zich meer richten op de kosten).
3. Werkingsmechanisme in lithium-ionbatterijen
3.1 Rol als elektrodestroomcollector
Bij gebruik als kathode- of anodestroomcollector kan de driedimensionale netwerkstructuur van nikkelschuim een "driedimensionaal geleidend netwerk vormen. De elektronentransmissieweg is met 40%-60% verkort ten opzichte van traditionele metaalfolies (zoals aluminiumfolie en koperfolie), waardoor de interne weerstand van de batterij met 15%-25% afneemt. Tegelijkertijd kan de poreuze structuur meer elektrolyt opnemen, wat de efficiëntie van de ionentransmissie verbetert. In de 1C-laad-ontlaadtest is de capaciteitsbehoudsnelheid van de batterij met 8%-12% toegenomen ten opzichte van traditionele stroomcollectoren, en zijn de prestaties aanzienlijk geoptimaliseerd.
3.2 Katalytische activiteitsprestaties
In lithium-luchtbatterijen kunnen nikkelatomen op het oppervlak van schuimnikkel fungeren als katalytische actieve plekken voor de zuurstofreductiereactie (ORR) en zuurstofontwikkelingsreactie (OER), waardoor de activeringsenergie van de reactie met ongeveer 0,2-0,3 eV wordt verlaagd en het laad-ontlaad-spanningsverschil tussen de batterij met 10%-15% wordt verkleind; in lithium-zwavelbatterijen kan schuimnikkel het shuttle-effect van lithiumpolysulfide remmen en het verlies van actieve materialen door chemische adsorptie verminderen, waardoor de capaciteitsafname van de batterij na 500 cycli wordt teruggebracht tot minder dan 20% (traditionele batterijen zijn meestal meer dan 30%).
3.3 Alomvattende impact op de batterijprestaties
Vanuit het perspectief van feitelijke testgegevens, lithium-ionbatterijen die gebruik maken van schuimnikkel-stroomcollectoren:
De energiedichtheid neemt met 10%-30% toe (bijv. ternaire lithium-batterijen gaan van 280 Wh/kg naar 350 Wh/kg);
De levensduur wordt met 50%-100% verlengd (bijvoorbeeld: het capaciteitsbehoud van lithium-ijzerfosfaatbatterijen na 2000 cycli bedraagt meer dan 85%, terwijl dat bij traditionele batterijen ongeveer 60% is);
De prestaties bij lage temperaturen zijn geoptimaliseerd en de laad-ontlaadefficiëntie bij -20℃ is met 15%-20% toegenomen vergeleken met traditionele batterijen. Hierdoor kunnen we voldoen aan de behoeften van nieuwe energievoertuigen in koude noordelijke streken.
4. Onderzoeksvoortgang en toepassingsgevallen
4.1 Toonaangevende onderzoekstrends
Huidig onderzoek richt zich op de modificatie van schuimnikkel om prestatieknelpunten te doorbreken:
Composietmodificatie: Grafeen en koolstofnanotubes combineren met schuimnikkel om een "nikkel-koolstof synergetisch geleidend netwerk te construeren, wat de elektrische geleidbaarheid van het materiaal met 30%-50% verhoogt en tegelijkertijd de corrosiebestendigheid verbetert;
Oppervlaktemodificatie: Het vormen van een beschermende laag op het oppervlak van schuimnikkel door galvaniseren van kobalt, nikkel-fosfor-legering, enz. De corrosiesnelheid in zure elektrolyten (zoals lithium-zwavel-batterij-elektrolyten) wordt verlaagd tot minder dan 0,01 mm/jaar (ongemodificeerd schuimnikkel is ongeveer 0,05 mm/jaar);
Structurele optimalisatie: Ontwikkeling van nikkelschuim met gradiëntporiën (kleine poriën aan het oppervlak, grote poriën in de binnenste laag), wat niet alleen de belading van actieve materialen garandeert, maar ook de elektrolytimpedantie verlaagt. Relevante technologieën zijn geverifieerd in laboratoriummonsters van bedrijven zoals CATL en BYD.
4.2 Praktische toepassingsstatus
Schuimnikkel heeft grootschalige toepassing gevonden in twee soorten lithium-ionbatterijen:
Lithium-zwavelbatterijen: Een lokaal bedrijf gebruikt koolstofgecoat nikkelschuim als kathodestroomcollector. De geproduceerde lithium-zwavelbatterijen hebben een energiedichtheid van 450 Wh/kg en zijn geïnstalleerd in kleine drones, waarbij de gebruiksduur met 40% is toegenomen ten opzichte van traditionele lithium-ionbatterijen;
Powerbatterijen: Tesla maakt gebruik van met nikkel versterkte anodestroomcollectoren bij het onderzoek en de ontwikkeling van 4680-batterijen, waardoor de laad-ontlaadcapaciteit van de batterij wordt verhoogd tot 4C (volledig opladen in 15 minuten), terwijl het risico op thermische runaway wordt verminderd;
Momenteel is de kern van de beperking van grootschalige toepassing nog steeds de kosten: de kosten van stroomcollectoren van nikkelschuim bedragen ongeveer 8%-12% van de totale kosten.batterijmateriaalkosten (traditionele stroomafnemers vertegenwoordigen slechts 3%-5%) en verdere kostenverlaging door procesoptimalisatie is noodzakelijk.
5. Uitdagingen en vooruitzichten
5.1 Bestaande problemen
Naast de kosten zijn er twee belangrijke uitdagingen:
Onvoldoende stabiliteit: In lithium-ionbatterijen met een hoge spanning (bijv. boven 4,5 V) is schuimnikkel gevoelig voor grensvlakreacties met de elektrolyt, waardoor Ni³⁺-verbindingen ontstaan. Dit leidt tot een toename van de batterij-impedantie en de capaciteitsafname bedraagt na 1000 cycli meer dan 25%;
Consistentiecontrole: Bij grootschalige productie kan de afwijking van de poriegrootte en de dikte van nikkelschuim meer dan ±10% bedragen. Dit leidt tot prestatieverschillen tussen batterijbatches en heeft invloed op de kwaliteitscontrole van downstream-bedrijven.
5.2 Toekomstige ontwikkelingsrichtingen
Verlaging van proceskosten: ontwikkeling van "sjabloonvrije elektrodepositietechnologie om het polyurethaanschuimsubstraat te elimineren, wat naar verwachting de productiekosten met meer dan 30% zal verlagen;
Aanpassing in meerdere scenario's: voor nieuwe energieopslagsystemen, zoals vaste-stoflithium-batterijen en natriumionbatterijen, ontwikkeling van van nikkel afgeleide schuimmaterialen met een lage impedantie en hoge compatibiliteit (bijvoorbeeld op nikkel gebaseerde composiet vaste elektrolytdragers);
Industrialisatie-upgrade: introductie van visuele inspectiesystemen met kunstmatige intelligentie (AI) om de consistentiefout van nikkelschuimproducten binnen ±5% te controleren en zo te voldoen aan de massaproductiebehoeften van krachtbatterijen.
