莊林

武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072

(a) 烯鋁集流體截面透射電子顯微鏡照片及相關(guān)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(cè)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(cè)試。

鋰離子電池廣泛應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦以及電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域1,2。提升鋰離子電池性能是當(dāng)今儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究的熱潮。盡管材料體系千變?nèi)f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(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的重要作用3,4。集流體材料必須滿足穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性高、輕質(zhì)高強(qiáng)、價(jià)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(fù)極集流體。

值得指出的是，Al3+/Al相對(duì)于Li+/Li的熱力學(xué)電位差僅是 1.38 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正極材料的電化學(xué)窗口，因此鋁箔正極集流體在熱力學(xué)上是電化學(xué)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(xué)上的電化學(xué)不穩(wěn)定性，提高了鋁正極集流體的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。這種熱力學(xué)不穩(wěn)定和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的特性導(dǎo)致鋁集流體在通常的4 V鋰離子電池長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中依然存在局域的陽(yáng)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(wèn)題將更為突出。鋁集流體的電化學(xué)腐蝕可導(dǎo)致電活性物質(zhì)的脫落，并引發(fā)一系列的副反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生的鋁反應(yīng)碎片可引發(fā)內(nèi)短路。因此，鋁集流體的電化學(xué)腐蝕是導(dǎo)致電池長(zhǎng)期循環(huán)性能衰減的重要因素5–7。

最近，北京大學(xué)彭海琳教授和劉忠范院士團(tuán)隊(duì)發(fā)展了利用石墨烯薄膜做導(dǎo)電隔離層，增強(qiáng)鋁箔集流體界面的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，從而抑制鋁箔集流體在鋰離子電池使用過(guò)程中的電化學(xué)腐蝕的辦法。作者通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，成功實(shí)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(zhǎng)，開(kāi)發(fā)了一類具有優(yōu)異抗電化學(xué)腐蝕性能的“烯鋁集流體”新材料。作者通過(guò)循環(huán)伏安測(cè)試、恒壓極化測(cè)試等手段，結(jié)合形貌以及相關(guān)譜學(xué)分析，對(duì)烯鋁集流體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，直接生長(zhǎng)的多層石墨烯薄膜與鋁箔表面緊密結(jié)合，界面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量很高，烯鋁集流體比普通鋁箔集流體的抗電化學(xué)腐蝕性能顯著增強(qiáng)，故而正極材料在烯鋁集流上的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性更高且自放電率更低。同時(shí)，由于石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能，降低了集流體與活性物質(zhì)之間的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)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(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命的商用鋰離子電池及高性能的動(dòng)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