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华中科技大学黄云辉、许恒辉团队最新AFM：复合集流体三维导电中间层设计

能源学人 · 公众号 · · 2024-12-27 11:46

正文

【研究背景】

电动汽车和储能系统日益增长的需求不断推动着高比能锂离子电池体系的快速发展。提高电池能量密度的有效策略之一是减少集流体等非活性材料的使用。具有“金属-聚合物-金属”三明治结构的复合集流体被认为是传统金属集流体最有前景的替代品。相对于传统金属集流体，复合集流体质量更轻，极大的提升电池的能量密度，能够实现电池本征安全性能提升。然而，传统的复合集流体采用绝缘的聚合物作为中间层，聚合物中间层的绝缘性质限制了复合集流体电流的横向传导。因此，传统的复合集流体用于电池组装时必须使用额外的导电组件以及采用复杂的焊接方式，最终牺牲复合集流体对电池能量密度的提升。

【工作介绍】

近日，华中科技大学黄云辉、许恒辉教授课题组联合浙江锋锂新能源科技有限公司林久等人提出了具有三维导电中间层的超轻复合集流体，以显着提高复合集流体的横向导电性。该新型复合集流体通过在轻质绝缘聚酰亚胺（PI）薄膜中嵌入高导电性和高强度的碳纳米管（CNTs），磁控溅射两层薄的金属铝或铜制备。由此得到的三维导电中间层（PI-CNTs）实现了分别高达1.02 S m ⁻¹ 和1.15 S m ⁻¹ 的电子电导率。此外，与使用商用金属集流体组装的电池相比，使用具有三维导电中间层的超轻复合集流体的电池容量分别增加了32.7%和77.2%。重要的是，与商用金属集流体相比，制备的PI-CNTs-Cu和PI-CNTs-Al复合集流体的面密度和接触角明显降低，并且抗拉强度分别高达223.8 MPa和219.4 MPa。此外，由于改善了电池安全保护机制，使用PI-CNTs-Cu和PI-CNTs-Al复合集流体的电池能量密度提高了9.0%，并保持了出色的安全性能。相关成果以“Ultralight Polymer-Based Current Collectors with Enhanced Transverse Conductivity via 3D Conductive Interlayers for Safe and High-Energy Lithium-Ion Batteries”为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上，华中科技大学材料科学与工程学院博士研究生李诺为本文第一作者。

【内容表述】

1. 复合集流体设计、制备、表征

图1：（a）传统的PI-Al和PI-Cu复合集流体和（b）我们的PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu复合集流体在软包电池中的应用对比。（c）PI、PI-CNTs、PI-Al和PI-CNTs-Al的对比照片。（d）Al、PI-Al和PI-CNTs-Al集流体的XRD谱图。（e）Al、PI-Al和PI-CNTs-Al集流体的面密度比较。

2. 复合集流体微观结构表征与导电性测试

图2：（a）Al和PI-CNTs-Al和（b）Cu和PI-CNTs-Cu集流体的表面SEM表征和表面接触角。（c）PI-Al和PI-CNTs-Al和（d）PI-Cu和PI-CNTs-Cu集流体的低、高倍截面SEM表征。（e）PI-Al、PI-Cu、PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu集流体的纵向和横向电导率对比照片。（g）Al、PI-Al和PI-CNTs-Al集流体的横向电导率对比。

3. 半电池性能测试

图3：（a）使用不同复合集流体的扣式电池组装示意图。使用Al、PI-Al和PI-CNTs-Al集流体的电池（b）充放电曲线，（c）Nyquist图，和（d）倍率性能。使用Al、PI-Al和PI-CNTs-Al集流体扣式电池在（e）0.5 C和（f）1 C的长期循环性能。（g）使用Al、PI-Al和PI-CNTs-Al集流体的电池在30℃下储存1000 h的电压-时间曲线。

图4：使用（a）PI-CNTs-Cu||PI-CNTs-Al和（b）PI-Cu||PI-Al复合集流体组装的软包电池示意图。（c）不同复合集流体焊接过程的照片对比。使用（d）PI-CNTs-Cu||PI-CNTs-Al和（e）传统PI-Cu||PI-Al复合集流体组装的软包电池的照片。（f）使用Cu||Al、PI-Cu||PI-Al和PI-CNTs-Cu||PI-CNTs-Al集流体的软包电池的充放电曲线和（g）长期循环性能。

4. 全电池能量密度提升

图5：（a）1.5 Ah软包电池详细设计参数。（b）使用PI-CNTs-Cu||PI-CNTs-Al复合集流体组装的软包电池照片。（c）1.5 Ah软包电池的充放电曲线。（d）不同容量软包电池能量密度对比。（e）已报道的高能量密度全电池与本工作的比较。

5. 全电池安全性能测试

图6：使用（a）PI-Cu||PI-Al和（b）PI-CNTs-Cu||PI-CNTs-Al复合集流体软包电池进行针刺测试时的示意图。（c）PI-Cu、PI-CNTs-Cu、PI-Al、PI-CNTs-Al复合集流体经过拉伸应力测试后的照片。（d）PI-Cu和不同PI-CNTs-Cu复合集流体、（e）PI-Al和不同PI-CNTs-Al复合集流体的应力-应变曲线。（f）PI-Cu、PI-CNTs-Cu、PI-Al、PI-CNTs-Al复合集流体经过拉伸应力试验后的表面SEM表征。（g）针刺试验时软包电池的电压和温度曲线。（h）针刺试验的软包电池照片。

【结论】

通过将碳纳米管（CNTs）掺入到聚酰亚胺（PI）中间层中，再沉积两层薄金属层，成功地制备出了具有三维导电中间层的超轻复合集流体（PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu）。该新型复合集流体横向电导率从2.19×10 ⁻⁹ S m ⁻¹ 增加到1.02 Sm ⁻¹ 。此外，与传统的金属铜集流体相比，PI-CNTs-Cu复合集流体的重量减轻了70.4%。该设计不仅提高了金属层和聚合物层之间的结合力，而且在不牺牲整体性能的情况下提高了断裂拉伸强度。同时，使用PI-CNTs-Cu和PI-CNTs-Al的电池能量密度从216.3 Wh kg ⁻¹ 提升至235.8 Wh kg ⁻¹ 。此外，1.5 Ah全电池在严格的针刺测试中表现出卓越的安全性能。安全性能的提升归因于使用PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu复合集流体的电池在外部应力下能保持相对整齐的横截面，从而防止电池内导电组件之间的相互接触。

Nuo Li, Jie Zhao, Yue Zhang, Ruifeng Song, Nan Zhang, Yanming Cui, Jiu Lin, Henghui Xu, Yunhui Huang. Ultralight Polymer-Based Current Collectors with Enhanced Transverse Conductivity via 3D Conductive Interlayers for Safe and High-Energy Lithium-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202419102

作者简介

黄云辉：华中科技大学教授/博导，国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者特聘教授，长期从事新型能源材料和器件的研究开发工作，在Science、Nat. Mater.、Chem. Soc. Rev、Energy Environ. Sci.、Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、等国际著名学术期刊上发表SCI论文600余篇，论文引用5.8万余次，H-因子122，2018-2023年连续入选全球高被引科学家和中国高被引学者，授权专利80余件。锂电池正极材料、电池快充技术、电池健康状态超声监测技术及设备已实现成果转化应用。2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖、2020年获湖北省自然科学一等奖、2024年获中国材料研究学会技术发明一等奖（均为第一完成人）。

许恒辉：华中科技大学教授/博导，教育部青年长江学者、湖北省百人计划、“武汉英才”产业领军人才。从事固态锂电池的研究工作，已发表 SCI 论文 80 余篇，论文总被引 8000 余次，其中包括 Proc. Natl. Acad. Sci.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等。担任Interdisciplinary Materials 期刊学术编辑、SusMat、Rare Metals等期刊青年编委。主持科技部重点研发计划课题，国家自然科学基金重点和青年项目、湖北省重点研发计划和若干企业横向项目。

浙江锋锂新能源科技有限公司是江西赣锋锂业集团旗下从事高比能电池开发和产业化专业公司，设立固态电池工程中心、研发测试中心和制造基地等多个平台，围绕新能源汽车和飞行动力用高比能电池展开全面深入地研究和应用推广，与华中科技大学、南方科技大学、同济大学、北京理工大学、中科院宁波材料所等建立了紧密的产学研合作。先后承担国家及地方重点项目8项，获高比能电池方面200余项专利，荣获国家高新技术企业、宁波市专精特新中小企业等荣誉称号。

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