Feuille de mousse de cuivre 3D : solution au problème des batteries à semi-conducteurs lourdes

Mousse La feuille de cuivre (également appelée « feuille de cuivre 3D ») est un nouveau type de matériau métallique mousse tridimensionnel, poreux et uniformément interconnecté, caractérisé par sa légèreté, sa grande résistance et son excellente conductivité électrique. Ces dernières années, avec le développement de la technologie des batteries, et notamment l'émergence des batteries solides et semi-solides, la feuille de cuivre mousse a suscité un intérêt considérable et a trouvé de nombreuses applications dans le domaine des collecteurs de courant d'anode des batteries lithium-ion. Sa légèreté et sa résistance spécifique élevée en font un matériau de choix.mousse de cuivrelui confèrent un avantage considérable dans le domaine des structures Matériels.
Comparé aux feuilles de cuivre électrolytique traditionnelles de 6 microns et aux feuilles de cuivre composites, le cuivre mousse permet de réduire efficacement le poids et la densité énergétique des batteries, ce qui en fait un matériau de base prometteur pour les applications légères en basse altitude. Avec le développement rapide de ce secteur, le cuivre mousse apportera un soutien technique et une garantie matérielle importants à ce secteur.
Matériau métallique tridimensionnel poreux et uniformément interconnecté, le cuivre cellulaire, grâce à son faible coût de production et à son excellente conductivité, est prometteur comme collecteur de courant pour les batteries lithium-ion semi-solides/solides. Selon un article du professeur Cui Yi de l'Université de Stanford publié dans Nature Energy le 28 février 2024, il a été proposé de construire un collecteur de courant poreux comme produit de nouvelle génération de collecteurs de courant composites. Ce dernier permettrait non seulement d'améliorer la densité énergétique, mais aussi de multiplier par quatre la vitesse de charge, atteignant ainsi l'objectif d'une charge ultra-rapide. De plus, le collecteur de courant à anode poreuse peut être appliqué aux matériaux d'anode à base de silicium, ce qui résout efficacement le problème de l'effondrement du silicium et ouvre ainsi de nouvelles possibilités d'amélioration de la densité énergétique des batteries au lithium, en particulier des batteries à semi-conducteurs.
Avantages de mousse de cuivre comme matériau collecteur de courant d'anode :
① Haute sécurité : aucun bord tranchant n'est produit lors de la perforation, évitant ainsi les courts-circuits internes ;
2. Rentable, léger et à haute densité énergétique (l'utilisation de cuivre est d'environ 1/7 de celle d'une feuille de cuivre traditionnelle) ;
③ Excellentes performances de charge ultra-rapide (devraient atteindre 7-10C) ;
④ Permet l'utilisation d'anodes de lithium métallique, facilitant l'application d'anodes de lithium métallique et accélérant l'industrialisation des batteries semi-solides/solides.
La feuille de cuivre 3D peut être produite par diverses méthodes, notamment la perforation laser ou mécanique, et par des réactions chimiques permettant de créer des structures tridimensionnelles à sa surface. Les méthodes les plus courantes sont le moussage et la galvanoplastie.
Le principe de la galvanoplastie pour produire de la mousse de cuivre consiste à obtenir une fine couche métallique par dépôt chimique sur une matrice organique à structure maillée (généralement en résine polyuréthane) afin de lui conférer une conductivité. Une couche métallique est ensuite déposée à sa surface par galvanoplastie. Enfin, la matrice organique est retirée par frittage pour obtenir une mousse métallique à structure maillée tridimensionnelle.
Utilisant de la mousse de polyuréthane comme substrat, la mousse de cuivre est préparée par prétraitement, placage chimique, galvanoplastie et frittage-réduction. La morphologie de la mousse pendant sa préparation est observée au microscope électronique à balayage (MEB) et ses principales propriétés physiques sont mesurées.
1. Prétraitement
(1) Dégraissage : Le dégraissage élimine les substances huileuses de la surface du matériau en mousse pour éviter qu'elles n'affectent le processus de placage chimique.
(2) Rugosité : La rugosité consiste à immerger le matériau en mousse dégraissé dans une solution rugueuse pour ouvrir les pores borgnes de la matrice de mousse et former des groupes hydrophiles sur sa surface, tout en augmentant sa rugosité de surface.
(3) Sensibilisation : La sensibilisation consiste à adsorber une couche d'ions métalliques réducteurs, les ions stanneux (Sn²⁺), à la surface de la mousse. Les principaux composants de la solution de sensibilisation sont le chlorure stanneux et l'acide chlorhydrique. Température de sensibilisation : 45 °C, durée : 5 minutes. Pendant la sensibilisation, des particules d'étain doivent être ajoutées, ce qui entraîne la formation d'une émulsion blanc laiteux de Sn(OH)Cl à la surface de la mousse, créant une couche adsorbée uniforme sur le substrat.
(4) Activation. L'activation implique la formation d'une couche métallique catalytique à la surface du substrat. L'activation du Pd est illustrée par l'équation suivante [formation de noyaux de Pd à partir de (Pd-Cl₄)₂]. (PdCl₄)₂⁻ + Sn²⁺ → Pd + Sn⁴⁺ + 4Cl⁻.
(5) Démucilagination. La mousse activée est lavée avec une solution d'acide chlorhydrique à 10 % pendant 1 minute pour la démucilagination. L'objectif est d'éliminer la couche de gel recouvrant la surface du palladium, exposant ainsi les atomes de palladium présents à la surface et agissant comme catalyseur.
2. Cuivrage chimique
Sur la surface de la mousse catalytiquement active, une couche de cuivre métallique est déposé via une réaction de réduction, conférant une conductivité et permettant une galvanoplastie ultérieure.