【文章内容】

该研究提出了具有三维导电中间层的超轻复合集流体，以显著提高复合集流体的横向导电性。该新型复合集流体通过在轻质绝缘聚酰亚胺（PI）薄膜中嵌入高导电性和高强度的碳纳米管（CNTs），磁控溅射两层薄的金属铝或铜制备。由此得到的三维导电中间层（PI-CNTs）实现了分别高达1.02 S m⁻¹和1.15 S m⁻¹的电子电导率。此外，与使用商用金属集流体组装的电池相比，使用具有三维导电中间层的超轻复合集流体的电池容量分别增加了32.7%和77.2%。重要的是，与商用金属集流体相比，制备的PI-CNTs-Cu和PI-CNTs-Al复合集流体的面密度和接触角明显降低，并且抗拉强度分别高达223.8 MPa和219.4 MPa。此外，由于改善了电池安全保护机制，使用PI-CNTs-Cu和PI-CNTs-Al复合集流体的电池能量密度提高了9.0%，并保持了出色的安全性能。研究成果以题为“Ultralight Polymer-Based Current Collectors with Enhanced Transverse Conductivity via 3D Conductive Interlayers for Safe and High-Energy Lithium-Ion Batteries”发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。本论文第一作者为博士生李诺。

【研究背景】

   电动汽车和储能系统日益增长的需求不断推动着高比能锂离子电池体系的快速发展。提高电池能量密度的有效策略之一是减少集流体等非活性材料的使用。具有“金属-聚合物-金属”三明治结构的复合集流体被认为是传统金属集流体最有前景的替代品。相对于传统金属集流体，复合集流体质量更轻，极大的提升电池的能量密度，能够实现电池本征安全性能提升。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限制了复合集流体电流的横向传导。因此，传统的复合集流体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。

【图文导读】

图1：复合集流体设计、制备、表征

图2. 复合集流体微观结构表征与导电性测试

图3. 扣式半电池性能测试

图4. 软包电池性能测试

图5. 全电池能量密度提升

图6. 全电池安全性能测试

【研究结论】

  该工作通过将碳纳米管（CNTs）掺入到聚酰亚胺（PI）中间层中，再沉积两层薄金属层，成功地制备出了具有三维导电中间层的超轻复合集流体（PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu）。该新型复合集流体横向电导率从2.19×10⁻⁹ S m⁻¹增加到1.02 Sm⁻¹。此外，与传统的金属铜集流体相比，PI-CNTs-Cu复合集流体的重量减轻了70.4%。该设计不仅提高了金属层和聚合物层之间的结合力，而且在不牺牲整体性能的情况下提高了断裂拉伸强度。同时，使用PI-CNTs-Cu和PI-CNTs-Al的电池能量密度从216.3 Wh kg⁻¹提升至235.8 Wh kg⁻¹。此外，1.5 Ah全电池在严格的针刺测试中表现出卓越的安全性能。安全性能的提升归因于使用PI-CNTs-Al和PI-CNTs-Cu复合集流体的电池在外部应力下能保持相对整齐的横截面，从而防止电池内导电组件之间的相互接触。

【文献链接】

Nuo Li, Jie Zhao, Yue Zhang, Ruifeng Song, Nan Zhang, Yanming Cui, Jiu Lin, Henghui Xu*, Yunhui Huang*. Ultralight Polymer-Based Current Collectors with Enhanced Transverse Conductivity via 3D Conductive Interlayers for Safe and High-Energy Lithium-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2024.