斯坦福大学崔屹教授Nature Energy：巧妙电池结构设计助力比能量密度提升16-26%

【引言】

锂离子电池（LIBs）已经被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和电网储能等，其迅速发展促使人们追求更高的比能量密度和更安全的LIB。而电池中非活性成分和安全性是实现高比能锂离子电池的两个关键挑战。在以往的研究中，提高电池的能量密度主要集中在研发优化新型材料以及提高电池的工作电压。然而，有效优化电池中非活性物质同样至关重要且空间巨大。集流体是锂离子电池的一个重要组成部分，一般由金属箔铜（密度为8.96 g cm^-3)或铝(密度为2.70 g cm^-3）等高密度金属箔材组成，其重量占比大（可高达15～50%）且不提供容量，因此被认为是“dead weight”。工业上往往通过降低金属箔的厚度来减轻集流体的重量，然而持续降低金属箔的厚度会破坏集流体的机械强度，反而往往会给电池带来负面作用。此外，由于电池中使用了高度易燃的有机电解质和隔膜，易引起严重的安全问题。因此，当考虑提升LIB的能量密度时，应该同时考虑其安全性。

近日，美国斯坦福大学崔屹教授（通讯作者）提出一种新颖的复合集流体（CC）设计策略，既最小化了电池内的集流体这一“dead weight”，又提高了电池防火安全性。具体来讲，作者通过在两层超薄铜层（~500 nm）之间添加一层嵌入三苯基磷酸盐（TPP）阻燃剂的聚酰亚胺（PI），从而制备出了一种厚度约为9 μm和密度为1.54 mg cm^-2的超轻聚酰亚胺基集流体。与传统采用最薄的商用金属箔集流体（~6 μm）组装的锂离子电池相比，本文设计的复合集流体可以将能量密度提高16-26%（取决于不同电池类型），并可在短路和热失控等极端条件下，有效实现阻燃。相关研究成果以“Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries”为题发表在Nature Energy上。

【图文导读】

图一、新型和传统集流体设计对比

图二、基于PI的CCs的材料制备和结构表征（a-c）PI、PI-TPP和PI-TPP-Cu薄膜横截面SEM图像；

（d）TGA揭示了PI-TPP复合材料中TPP的含量；

（e）PI、TPP和PI-TPP复合材料的FTIR光谱；

（f）CC电阻率与铜导电层厚度的相关性；

（g）PI-TPP和PI-TPP-Cu复合材料的XRD分析；

（h）Cu箔、PI-TPP和PI-TPP-Cu CC的面密度比较；

（i）不同PI基薄膜的机械强度；

图三、基于不同CCs的阻燃性能和Gr负极性能

（a，b）在有电解液的情况下，PI-TPP-Cu/Gr电极在不同阻燃剂含量和不同集流体厚度中的阻燃效果；

（c）Cu/Gr和PI-TPP-Cu/Gr电极的燃烧试验的照片；

（d-f）Cu/Gr和PI-TPP-Cu/Gr电极在0.01至1.5V之间的倍率性能和相应的恒电流充放电电压曲线。

图四、常规CCs和基于PI的CCs制备的全电池的电化学表征（a，b）PI-Cu和PI-TPP-Cu CC的焊接行为；

（c，d）基于PI的CC制备的软包电池；

（e）Cu/Gr||LCO/Al、PI-Cu/Gr||LCO/PI-Al和PI-TPP-Cu/Gr||LCO/PI-TPP-Al全电池的恒电流循环性能及计算比能量密度对比；

（f）基于商业化的Cu||Al和PI-TPP-Cu||PI-TPP-Al CC计算不同LIB的比能量密度。

图五、对使用Al/CuCC和PI-TPP-Al/PI-TPP-CuCC的软包全电池进行阻燃试验

（a）组装的Cu/Gr||LCO/Al和PI-TPP-Cu/Gr||LCO/PI-TPP-Al软包全电池的照片；

（b）Cu/Gr||LCO/Al和PI-TPP-Cu/Gr||LCO/PI-TPP-Al软包全电池的阻燃试验结果。

【小结】

综上所述，作者成功地设计了一种超轻和阻燃的复合型集流体（CCs），从而同时提高了LIB的比能量和安全性。这种设计打破常规集流体仅作为传导电子的功能限制，将集流体的功能多重化。所制备的复合PI-TPP-Cu CC密度下降了四倍，同时保持良好的力学性能。与目前使用最薄的商业化Cu||Al CC获得的能量密度相比，使用本文的CC组装的不同LIB的比能量密度可以增加16-26% （基于不同电池类型）。此外，与以前将阻燃剂添加到电池中的方法相比，这种将阻燃剂封装在CC中，消除了阻燃剂对电池本征电子/离子路径的潜在负面影响和副反应。这种集流体设计为下一代更高比能量密度的锂电池和新型柔性电池的设计提供了更多可能。

文献链接：“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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