石墨烯增強鋰離子電池鋁箔集流體的抗腐蝕性

莊林

武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072

(a) 烯鋁集流體截面透射電子顯微鏡照片及相關元素分布圖。(b) 烯鋁集流體(GA)與普通鋁箔(PA)在1 mol·L?1 LiPF6/EC+DMC電解液中的循環(huán)伏安曲線及測試后的形貌圖。(c) 錳酸鋰正極在烯鋁集流體與普通鋁箔集流體上的性能測試。

鋰離子電池廣泛應用在手機、筆記本電腦以及電動汽車等領域1,2。提升鋰離子電池性能是當今儲能領域的研究的熱潮。盡管材料體系千變萬化，集流體是鋰離子電池不可或缺的組成部分，起著溝通外部電路與內部電化學反應的重要作用3,4。集流體材料必須滿足穩(wěn)定性高、導電性高、輕質高強、價格低廉等要求。目前，銅箔和鋁箔分別是商業(yè)化鋰離子電池常用的正極和負極集流體。

值得指出的是，Al3+/Al相對于Li+/Li的熱力學電位差僅是 1.38 V，遠遠低于正極材料的電化學窗口，因此鋁箔正極集流體在熱力學上是電化學不穩(wěn)定的。由于鋁箔表面容易形成致密的氧化層，部分克服了鋁箔做集流體熱力學上的電化學不穩(wěn)定性，提高了鋁正極集流體的動力學穩(wěn)定性。這種熱力學不穩(wěn)定和動力學穩(wěn)定的特性導致鋁集流體在通常的4 V鋰離子電池長期循環(huán)過程中依然存在局域的陽極腐蝕；而在下一代高電壓(5 V)鋰離子電池中，鋁集流體的腐蝕問題將更為突出。鋁集流體的電化學腐蝕可導致電活性物質的脫落，并引發(fā)一系列的副反應，嚴重時產生的鋁反應碎片可引發(fā)內短路。因此，鋁集流體的電化學腐蝕是導致電池長期循環(huán)性能衰減的重要因素5–7。

最近，北京大學彭海琳教授和劉忠范院士團隊發(fā)展了利用石墨烯薄膜做導電隔離層，增強鋁箔集流體界面的動力學穩(wěn)定性，從而抑制鋁箔集流體在鋰離子電池使用過程中的電化學腐蝕的辦法。作者通過等離子體增強化學氣相沉積技術，成功實現(xiàn)了商業(yè)化的鋁箔集流體表面的多層均一石墨烯薄膜的低溫生長，開發(fā)了一類具有優(yōu)異抗電化學腐蝕性能的“烯鋁集流體”新材料。作者通過循環(huán)伏安測試、恒壓極化測試等手段，結合形貌以及相關譜學分析，對烯鋁集流體進行了系統(tǒng)的研究。結果表明，直接生長的多層石墨烯薄膜與鋁箔表面緊密結合，界面結構的質量很高，烯鋁集流體比普通鋁箔集流體的抗電化學腐蝕性能顯著增強，故而正極材料在烯鋁集流上的長期循環(huán)穩(wěn)定性更高且自放電率更低。同時，由于石墨烯優(yōu)異的導電性能，降低了集流體與活性物質之間的電荷轉移內阻，從而提升了鋰離子電池的倍率性能。

該研究工作近期已在 Advanced Materials上在線發(fā)表8。隨著全新的烯鋁集流體材料的規(guī)模制備和使用，將為開發(fā)長壽命的商用鋰離子電池及高性能的動力電池提供新思路。

(1)Armand, M.; Tarascon, J. M. Nature 2008, 451, 652.doi: 10.1038/451652a

(2)Goodenough, J. B. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1053.doi: 10.1021/ar2002705

(3)Goodenough, J. B.; Park, K. S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1167.doi: 10.1021/ja3091438

(4)Myung, S. T.; Hitoshi, Y.; Sun, Y. K. J. Mater. Chem. 2011, 21, 9891.doi: 10.1039/c0jm04353b

(5)Yang, H.; Kwon, K.; Devine, T. M.; Evans, J. W. J. Electrochem. Soc.2000, 147, 4399. doi: 10.1149/1.1394077

(6)Zhang, X. Y.; Winget, B.; Doeff, M.; Evans, J. W.; Devine, T. M.J. Electrochem. Soc. 2005, 152, B448. doi: 10.1149/1.2041867

(7)Wen, J.; Yu, Y.; Chen, C. Mater. Express 2012, 2, 197.doi: 10.1166/mex.2012.1075

(8)Wang, M.; Tang, T.; Chen, S.; Ci, H.; Wang, K.; Shi, L.; Lin, L.; Ren,H.; Shan, J.; Gao, P.; et al. Adv. Mater. 2017,doi: 10.1002/adma.201703882