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文章信息
*作者：李诺
通讯作者：林久，许恒辉，黄云辉
单位：华中科技大学，浙江锋锂新能源科技有限公司
研究背景
减少集流体等非活性材料的使用是提高电池能量密度的有效策略之一。复合集流体具有“金属-聚合物-金属”的三明治结构。因其质量轻，安全性好被认为是传统金属集流体的下一代替代品。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严重限制了复合集流体中电流的横向传导。因此，传统的复合集流体在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。
成果简介
近日，华中科技大学黄云辉教授、许恒辉教授联合浙江锋锂新能源科技有限公司林久等人在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Ultralight Polymer-Based Current Collectors with Enhanced Transverse Conductivity via 3D Conductive Interlayers for Safe and High-Energy Lithium-Ion Batteries”的研究型文章。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*作者。研究人员采用高导电性、高机械强度的纳米碳管（CNTs）作为聚酰亚胺（PI）中间填料，使用磁控溅射技术制备得到了PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu复合集流体。相比于商业金属集流体，PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu复合集流体具有更轻的面密度优势。相对普通PI-Al和PI-Cu复合集流，PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu复合集流体不仅具有更强的机械抗拉强度，更大的中间层与金属层界面结合力。并且，能够有效的减少电池组装过程中导电组件的使用，简化极耳焊接方式。使用PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu复合集流体组装的电池能量密度提升9%，并且电池的安全性也极大地提升。
核心内容解读
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要点一：复合集流体设计、制备及表征
图1：传统的复合集流体PI-Al和PI-Cu和具有三维导电中间层的复合集流体PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu的设计、制备以及在软包电池中应用对比。
具有三维导电中间层的复合集流体能够实现较好的横向电子电导率，简化了电池组装所需的极耳数量和电池组装过程。并且相比商业金属集流体，该复合集流体面密度降低了近56.7%。
要点二：复合集流体表面及截面微观结构、导电性表征
图2：不同复合集流体表面及截面微观表征对比，横向与纵向导电性对比.
具有三维导电中间层的复合集流体通过磁控溅射制备而得，表面更加平整。同时，CNTs的加入增强了金属层和聚合物层之间的结合力，并且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。
要点三：复合集流体半电池性能测试
图3：不同复合集流体在扣式半电池中的应用与电池性能对比。
图4：不同复合集流体在软包半电池中的应用与电池性能对比。
具有三维导电中间层的复合集流体在进行半电池组装时不需要额外的导电组件，焊接方式简单，并且电池各项性能与商业金属集流体相当，具有突出的安全性能。然而，传统复合集流体由于绝缘聚合物作为中间层，采用相同方式组装电池时，电池无法正常工作。
要点四：全电池能量密度提升
图5：软包全电池设计、制备、性能测试以及能量密度提升对比。
官网：yuanjuxing.com
使用三维导电中间层的复合集流体组装的电池能量密度比使用商业金属集流体组装的电池能量密度提高了9.0%。理论计算表明使用三维导电中间层的复合集流体能实现*12.5%的能量密度提升。
要点五：全电池安全性能
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图6：三维导电中间层复合集流体全电池安全性能测试与可能安全机理分析。
CNTs的加入改变了三维导电中间层复合集流体的机械性能。采用该复合集流体组装电池时电池的安全性不恶化。
将高导电性和高强度的碳纳米管与聚酰亚胺复合成功地制备出了具有三维导电中间层的超轻复合集流体。该新型复合集流体横向电导率与传统金属集流体相当，重量较商业金属集流体减轻了70.4%，金属层和聚合物层之间的结合力是普通复合集流体的两倍，而且断裂拉伸强度提升了至少64.2%。使用该新型复合集流体的电池能量密度提升了9%，全电池在严格的针刺测试中表现出卓越的安全性能。
通讯作者简介
黄云辉：华中科技大学教授，博士生导师，校学术委员会副主任，国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千*才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。分别于1988、1991和2000年在北京大学获得学士、硕士和博士学位，师从高小霞先生和徐光宪先生从事电分析化学和稀土无机化学研究。2002年任复旦大学副教授，期间在日本东京工业大学作为JSPS研究员开展磁电阻功能材料方面的合作研究。2004-2007年在美国德克萨斯大学奥斯汀分校师从John B. Goodenough教授（2019年诺贝尔化学奖得主）从事锂离子电池和固态氧化物燃料电池研究。2008年回国到华中科技大学工作，创建了动力与储能电池实验室。2010-2017年任材料科学与工程学院院长和学术委员会主任。主要研究领域包括锂离子动力与储能电池、下一代锂硫和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池。在Science, Chem. Soc. Rev., Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun.等学术期刊上发表学术论文累计500余篇。其中ESI高被引论文70篇、热点论文12篇，2篇论文入选年度“中国百篇*影响力的国际论文”，引用5万余次。2018-2021年入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者。授权或公开专利70余件。锂离子电池正极材料、快充技术、电池健康状态超声检测技术等成果已实现应用。2012年获中国侨界贡献奖（创新人才），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。
许恒辉：华中科技大学教授/博导，教育部青年长江学者。2015年博士毕业于华中科技大学，随后在美国德克萨斯大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授课题组从事博士后研究工作。2020年加入华中科技大学从事固态电池与安全电池的研究和开发。以*或通讯作者身份在Proc. Natl. Acad. Sci., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等学术刊物上发表70余篇研究论文，被引用7000 余次，H因子39，主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题和湖北省重点研发、以及企业横向等项目。
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*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。
文章链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202419102
