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定性，提高了鋁正極集流體的動力學穩定性。這種熱力學不穩定和動力學穩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，并引發一系列的副反應，嚴重時產生的鋁反應碎片可引發內短路。因此，鋁集流體的電化學腐蝕是導致電池長期循環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，成功實現了商業化的鋁箔集流體表面的多層均一石墨烯薄膜的低溫生長，開發了一類具有優異抗電化學腐蝕性能的“烯鋁集流體”新材料。作者通過循環伏安測試、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穩定性更高且自放電率更低。同時，由于石墨烯優異的導電性能，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上在線發表8。隨著全新的烯鋁集流體材料的規模制備和使用，將為開發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