华科大黄云辉、许恒辉等《AFM》：复合集流体三维导电中间层设计，实现高比能、安全锂离子电池

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-26 07:54

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复合集流体质量轻，厚度薄，能够较好的提升电池安全性能。然而，复合集流体绝缘聚合物中间层的使用严重限制了电流在两金属层之间的相互传导。为了克服聚合物中间层的不导电性，电池组装过程需要增加额外的导电组件以及采用复杂的极耳焊接方式。最终导致非活性组分在电池中的占比增加，降低了电池能量密度，限制复合集流体在电池中的实际应用。

为了解决这一问题， 华中科技大学 黄云辉 、许恒辉教授团队联合浙江锋锂林久等人设计了一种具有三维导电中间层的超轻复合集流体。 该结构设计实现了电流在两金属镀层之间的相互高效传导，减少了电池组装过程中导电组件的使用，简化了极的耳焊接工艺与流程。使用该复合集流体的电池不仅能量密度提高了9.0%并且电池安全性能不恶化。相关工作以“Ultralight Polymer-Based Current Collectors With Enhanced Transverse Conductivity via 3D Conductive Interlayers for Safe and High-Energy Lithium-Ion Batteries”为题发表在《 Advanced Functional Materials 》上。

【三维导电中间层复合集流体设计】

图1.三维导电中间层复合集流体设计与表征

传统的复合集流体使用不导电的聚合物作为中间层，电流只能在两个金属镀层内的独立传输。具有三维导电中间层的复合集流体，聚合物层内交织的碳纳米管（CNTs）结构实现了电流在两个金属镀层之间的快速传导，简化了电池组装所需的极耳数量和电池组装过程。同时，相比商业金属集流体，该复合集流体面密度降低了近56.7%。

【复合集流体微观结构与导电性】

图2.复合集流体微观结构及导电性能测试分析

与商业金属铜或金属铝集流体相比，通过磁控溅射制备的复合集流体的表面更加平整。此外，CNTs的加入增强了金属层和聚合物层之间的结合力，具有三维导电中间层的复合集流体显示出更好的界面结合力。更重要的是CNTs的加入实现了电流在复合集流体两层薄的金属层之间的高效传导。

【半电池性能表征】

图3.扣式半电池测试与分析

图4.软包半电池测试与分析

华科大黄云辉、许恒辉等《AFM》：复合集流体三维导电中间层设计，实现高比能、安全锂离子电池

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