1. Pendahuluan
Sebagai perangkat penyimpanan energi inti untuk kendaraan energi baru, pembangkit listrik penyimpanan energi, dan peralatan elektronik portabel, baterai lithium-ion memiliki kepadatan energi, siklus hidup, dan keamanan yang secara langsung menentukan batas pengembangan industri hilir.Busa nikel Dengan mengandalkan keunggulan sinergis struktur-kinerjanya, telah menunjukkan kinerja yang luar biasa dalam mengatasi berbagai masalah seperti rendahnya efisiensi kolektor arus baterai litium-ion tradisional dan pemanfaatan material aktif yang kurang memadai. Material ini telah menjadi material pembantu utama untuk penelitian dan pengembangan baterai litium-ion berkinerja tinggi. Makalah ini menganalisis karakteristik inti, mekanisme kerja, dan perkembangan aplikasinya.
2. Analisis Dasar Nikel Busa
2.1 Struktur dan Sifat
Nikel busa menunjukkan struktur jaringan tiga dimensi yang saling terhubung, dengan porositas tipikal 80%-95%, luas permukaan spesifik hingga 1-5 m²/g, resistivitas serendah 5-10 μΩ·cm pada suhu ruang, dan kekuatan tarik sekitar 15-30 MPa. Porositas yang tinggi memungkinkan pemuatan material aktif yang tinggi (seperti katoda sulfur dan anoda berbasis silikon) dalam baterai litium-ion (20%-40% lebih tinggi daripada kolektor arus aluminium foil tradisional); konduktivitas listrik dan kekuatan mekanis yang sangat baik dapat mengurangi rugi transmisi elektron, sekaligus menahan ekspansi volume elektroda selama siklus pengisian-pengosongan, memberikan dukungan struktural untuk operasi baterai yang stabil dalam jangka panjang.
2.2 Proses Persiapan
Metode persiapan utama dibagi menjadi elektrodeposisi dan reduksi kimia:
Metode Elektrodeposisi: Menggunakan busa poliuretan sebagai substrat, lapisan nikel diendapkan pada permukaan rangka melalui proses elektroplating, diikuti dengan degreasing suhu tinggi dan sintering reduksi untuk membentuk nikel busa. Kemurnian produk dapat mencapai lebih dari 99,5%, dengan kesalahan keseragaman apertur kurang dari 5%. Namun, investasi peralatan elektroplating cukup tinggi, dan biaya produksi per ton sekitar 30.000-50.000 RMB;
Metode Reduksi Kimia: Larutan garam nikel dicampur dengan zat pereduksi (seperti natrium hipofosfit), dan reaksi reduksi terjadi pada permukaan cetakan berpori untuk membentuk lapisan nikel. Biayanya hanya 60%-70% dari biaya metode elektrodeposisi, sehingga cocok untuk produksi massal skala 10.000 ton. Namun, kemurnian produk mudah terpengaruh oleh pengotor, dan pengelupasan mikrostruktur dapat terjadi selama penggunaan jangka panjang.
Pemilihan kedua proses perlu ditentukan secara komprehensif berdasarkan skenario aplikasi baterai lithium-ion (misalnya, baterai daya memiliki persyaratan tinggi untuk kemurnian, sementara baterai penyimpanan energi lebih berfokus pada biaya).
3. Mekanisme Kerja Baterai Lithium-Ion
3.1 Peran sebagai Kolektor Arus Elektroda
Ketika digunakan sebagai pengumpul arus katode atau anoda, struktur jaringan tiga dimensi nikel busa dapat membentuk jaringan konduktif tiga dimensi. Panjang jalur transmisi elektron dipersingkat 40%-60% dibandingkan dengan foil logam tradisional (seperti aluminium foil dan tembaga foil), sehingga mengurangi resistansi internal baterai sebesar 15%-25%; di saat yang sama, struktur berporinya dapat menampung lebih banyak elektrolit, sehingga meningkatkan efisiensi transmisi ion. Dalam uji pengisian-pengosongan daya 1C, laju retensi kapasitas baterai meningkat 8%-12% dibandingkan dengan pengumpul arus tradisional, dan kinerja lajunya dioptimalkan secara signifikan.
3.2 Kinerja Aktivitas Katalitik
Pada baterai litium-udara, atom nikel pada permukaan busa nikel dapat bertindak sebagai situs aktif katalitik untuk reaksi reduksi oksigen (ORR) dan reaksi evolusi oksigen (OER), mengurangi energi aktivasi reaksi sekitar 0,2-0,3 eV dan mempersempit celah tegangan pengisian-pengosongan baterai hingga 10%-15%; pada baterai litium-sulfur, busa nikel dapat menghambat efek shuttle litium polisulfida dan mengurangi hilangnya bahan aktif melalui penyerapan kimia, mengurangi tingkat peluruhan kapasitas baterai setelah 500 siklus menjadi kurang dari 20% (baterai tradisional biasanya melebihi 30%).
3.3 Dampak Komprehensif pada Kinerja Baterai
Dari perspektif data uji aktual, baterai lithium-ion menggunakan pengumpul arus nikel busa:
Kepadatan energi ditingkatkan sebesar 10%-30% (misalnya, baterai litium terner ditingkatkan dari 280 Wh/kg menjadi 350 Wh/kg);
Siklus hidupnya diperpanjang hingga 50%-100% (misalnya, tingkat retensi kapasitas baterai lithium besi fosfat setelah 2000 siklus melebihi 85%, sedangkan baterai tradisional sekitar 60%);
Kinerja suhu rendah dioptimalkan, dan efisiensi pengisian-pengosongan pada -20℃ ditingkatkan sebesar 15%-20% dibandingkan dengan baterai tradisional, yang dapat memenuhi kebutuhan penggunaan kendaraan energi baru di wilayah utara yang dingin.
4. Kemajuan Penelitian dan Kasus Aplikasi
4.1 Tren Penelitian Mutakhir
Penelitian saat ini berfokus pada modifikasi busa nikel untuk mengatasi hambatan kinerja:
Modifikasi Komposit: Menggabungkan graphene dan karbon nanotube dengan busa nikel untuk membangun jaringan konduktif sinergis nikel-karbon, yang meningkatkan konduktivitas listrik material hingga 30%-50% sekaligus meningkatkan ketahanan terhadap korosi;
Modifikasi Permukaan: Membentuk lapisan pelindung pada permukaan nikel busa melalui pelapisan elektro kobalt, paduan nikel-fosfor, dll. Laju korosi pada elektrolit asam (seperti elektrolit baterai litium-sulfur) berkurang hingga kurang dari 0,01 mm/tahun (nikel busa yang tidak dimodifikasi sekitar 0,05 mm/tahun);
Optimasi Struktural: Pengembangan busa nikel berpori gradien (pori permukaan kecil, pori lapisan dalam besar), yang tidak hanya memastikan pemuatan material aktif tetapi juga mengurangi impedansi elektrolit. Teknologi relevan telah diverifikasi dalam sampel laboratorium perusahaan seperti CATL dan BYD.
4.2 Status Aplikasi Praktis
Nikel busa telah mencapai aplikasi skala besar dalam dua jenis baterai lithium-ion:
Baterai Litium-Sulfur: Sebuah perusahaan domestik menggunakan busa nikel berlapis karbon sebagai pengumpul arus katode. Baterai litium-sulfur yang diproduksi memiliki kepadatan energi 450 Wh/kg dan telah dipasang pada UAV kecil, dengan waktu ketahanan yang meningkat 40% dibandingkan dengan baterai litium-ion tradisional;
Baterai Tenaga: Tesla menggunakan pengumpul arus anoda yang diperkuat nikel busa dalam penelitian dan pengembangan baterai 4680, meningkatkan kapasitas pengisian-pengosongan daya baterai hingga 4C (pengisian penuh dalam 15 menit) sekaligus mengurangi risiko pelarian termal;
Saat ini, masalah inti yang membatasi penerapan skala besar masih biaya - biaya kolektor arus nikel busa mencapai sekitar 8% -12% dari total biayabahan bateraibiaya (pengumpul arus tradisional hanya mencakup 3%-5%), dan diperlukan pengurangan biaya lebih lanjut melalui pengoptimalan proses.
5. Tantangan dan Prospek
5.1 Permasalahan yang Ada
Selain masalah biaya, ada dua tantangan inti:
Stabilitas Tidak Memadai: Pada baterai lithium-ion tegangan tinggi (misalnya, di atas 4,5 V), busa nikel rentan terhadap reaksi antarmuka dengan elektrolit, menghasilkan senyawa Ni³⁺, yang menyebabkan peningkatan impedansi baterai, dan tingkat penurunan kapasitas melebihi 25% setelah 1000 siklus;
Kontrol Konsistensi: Selama produksi berskala besar, deviasi ukuran pori dan ketebalan nikel busa cenderung melebihi ±10%, sehingga mengakibatkan perbedaan kinerja antara batch baterai dan memengaruhi kontrol kualitas perusahaan hilir.
5.2 Arah Pengembangan Masa Depan
Pengurangan Biaya Proses: Mengembangkan teknologi elektrodeposisi bebas template untuk menghilangkan substrat busa poliuretan, yang diharapkan dapat mengurangi biaya produksi lebih dari 30%;
Adaptasi Multi-Skenario: Untuk sistem penyimpanan energi baru seperti baterai lithium solid-state dan baterai ion natrium, mengembangkan material turunan nikel busa dengan impedansi rendah dan kompatibilitas tinggi (misalnya, pembawa elektrolit padat komposit berbasis nikel);
Peningkatan Industrialisasi: Memperkenalkan sistem inspeksi visual AI untuk mengendalikan kesalahan konsistensi produk nikel busa dalam ±5%, memenuhi kebutuhan produksi massal baterai listrik.
