斯坦福大學崔屹教授Nature Energy：巧妙電池結構設計助力比能量密度提升16-26%

【引言】

?鋰離子電池（LIBs）已經被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車和電網儲能等，其迅速發展促使人們追求更高的比能量密度和更安全的LIB。而電池中非活性成分和安全性是實現高比能鋰離子電池的兩個關鍵挑戰。在以往的研究中，提高電池的能量密度主要集中在研發優化新型材料以及提高電池的工作電壓。然而，有效優化電池中非活性物質同樣至關重要且空間巨大。集流體是鋰離子電池的一個重要組成部分，一般由金屬箔銅（密度為8.96 g cm^-3)或鋁(密度為2.70 g cm^-3）等高密度金屬箔材組成，其重量占比大（可高達15～50%）且不提供容量，因此被認為是“dead?weight”。工業上往往通過降低金屬箔的厚度來減輕集流體的重量，然而持續降低金屬箔的厚度會破壞集流體的機械強度，反而往往會給電池帶來負面作用。此外，由于電池中使用了高度易燃的有機電解質和隔膜，易引起嚴重的安全問題。因此，當考慮提升LIB的能量密度時，應該同時考慮其安全性。

近日，美國斯坦福大學崔屹教授（通訊作者）提出一種新穎的復合集流體（CC）設計策略，既最小化了電池內的集流體這一“dead?weight”，又提高了電池防火安全性。具體來講，作者通過在兩層超薄銅層（~500 nm）之間添加一層嵌入三苯基磷酸鹽（TPP）阻燃劑的聚酰亞胺（PI），從而制備出了一種厚度約為9 μm和密度為1.54 mg cm^-2的超輕聚酰亞胺基集流體。與傳統采用最薄的商用金屬箔集流體（~6 μm）組裝的鋰離子電池相比，本文設計的復合集流體可以將能量密度提高16-26%（取決于不同電池類型），并可在短路和熱失控等極端條件下，有效實現阻燃。相關研究成果以“Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries”為題發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖一、新型和傳統集流體設計對比

圖二、基于PI的CCs的材料制備和結構表征（a-c）PI、PI-TPP和PI-TPP-Cu薄膜橫截面SEM圖像；

（d）TGA揭示了PI-TPP復合材料中TPP的含量；

（e）PI、TPP和PI-TPP復合材料的FTIR光譜；

（f）CC電阻率與銅導電層厚度的相關性；

（g）PI-TPP和PI-TPP-Cu復合材料的XRD分析；

（h）Cu箔、PI-TPP和PI-TPP-Cu CC的面密度比較；

（i）不同PI基薄膜的機械強度；

圖三、基于不同CCs的阻燃性能和Gr負極性能

（a，b）在有電解液的情況下，PI-TPP-Cu/Gr電極在不同阻燃劑含量和不同集流體厚度中的阻燃效果；

（c）Cu/Gr和PI-TPP-Cu/Gr電極的燃燒試驗的照片；

（d-f）Cu/Gr和PI-TPP-Cu/Gr電極在0.01至1.5V之間的倍率性能和相應的恒電流充放電電壓曲線。

圖四、常規CCs和基于PI的CCs制備的全電池的電化學表征（a，b）PI-Cu和PI-TPP-Cu?CC的焊接行為；

（c，d）基于PI的CC制備的軟包電池；

（e）Cu/Gr||LCO/Al、PI-Cu/Gr||LCO/PI-Al和PI-TPP-Cu/Gr||LCO/PI-TPP-Al全電池的恒電流循環性能及計算比能量密度對比；

（f）基于商業化的Cu||Al和PI-TPP-Cu||PI-TPP-Al CC計算不同LIB的比能量密度。

圖五、對使用Al/Cu?CC和PI-TPP-Al/PI-TPP-Cu?CC的軟包全電池進行阻燃試驗

（a）組裝的Cu/Gr||LCO/Al和PI-TPP-Cu/Gr||LCO/PI-TPP-Al軟包全電池的照片；

（b）Cu/Gr||LCO/Al和PI-TPP-Cu/Gr||LCO/PI-TPP-Al軟包全電池的阻燃試驗結果。

【小結】

綜上所述，作者成功地設計了一種超輕和阻燃的復合型集流體（CCs），從而同時提高了LIB的比能量和安全性。這種設計打破常規集流體僅作為傳導電子的功能限制，將集流體的功能多重化。所制備的復合PI-TPP-Cu?CC密度下降了四倍，同時保持良好的力學性能。與目前使用最薄的商業化Cu||Al CC獲得的能量密度相比，使用本文的CC組裝的不同LIB的比能量密度可以增加16-26%?（基于不同電池類型）。此外，與以前將阻燃劑添加到電池中的方法相比，這種將阻燃劑封裝在CC中，消除了阻燃劑對電池本征電子/離子路徑的潛在負面影響和副反應。這種集流體設計為下一代更高比能量密度的鋰電池和新型柔性電池的設計提供了更多可能。

文獻鏈接：“Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries”(Nature Energy,?5, 786-793 (2020), https://doi.org/10.1038/s41560-020-00702-8)?

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