石墨烯增强锂离子电池铝箔集流体的抗腐蚀性

庄林

武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

(a) 烯铝集流体截面透射电子显微镜照片及相关元素分布图。(b) 烯铝集流体(GA)与普通铝箔(PA)在1 mol·L−1 LiPF6/EC+DMC电解液中的循环伏安曲线及测试后的形貌图。(c) 锰酸锂正极在烯铝集流体与普通铝箔集流体上的性能测试。

锂离子电池广泛应用在手机、笔记本电脑以及电动汽车等领域1,2。提升锂离子电池性能是当今储能领域的研究的热潮。尽管材料体系千变万化，集流体是锂离子电池不可或缺的组成部分，起着沟通外部电路与内部电化学反应的重要作用3,4。集流体材料必须满足稳定性高、导电性高、轻质高强、价格低廉等要求。目前，铜箔和铝箔分别是商业化锂离子电池常用的正极和负极集流体。

值得指出的是，Al3+/Al相对于Li+/Li的热力学电位差仅是 1.38 V，远远低于正极材料的电化学窗口，因此铝箔正极集流体在热力学上是电化学不稳定的。由于铝箔表面容易形成致密的氧化层，部分克服了铝箔做集流体热力学上的电化学不稳定性，提高了铝正极集流体的动力学稳定性。这种热力学不稳定和动力学稳定的特性导致铝集流体在通常的4 V锂离子电池长期循环过程中依然存在局域的阳极腐蚀；而在下一代高电压(5 V)锂离子电池中，铝集流体的腐蚀问题将更为突出。铝集流体的电化学腐蚀可导致电活性物质的脱落，并引发一系列的副反应，严重时产生的铝反应碎片可引发内短路。因此，铝集流体的电化学腐蚀是导致电池长期循环性能衰减的重要因素5–7。

最近，北京大学彭海琳教授和刘忠范院士团队发展了利用石墨烯薄膜做导电隔离层，增强铝箔集流体界面的动力学稳定性，从而抑制铝箔集流体在锂离子电池使用过程中的电化学腐蚀的办法。作者通过等离子体增强化学气相沉积技术，成功实现了商业化的铝箔集流体表面的多层均一石墨烯薄膜的低温生长，开发了一类具有优异抗电化学腐蚀性能的“烯铝集流体”新材料。作者通过循环伏安测试、恒压极化测试等手段，结合形貌以及相关谱学分析，对烯铝集流体进行了系统的研究。结果表明，直接生长的多层石墨烯薄膜与铝箔表面紧密结合，界面结构的质量很高，烯铝集流体比普通铝箔集流体的抗电化学腐蚀性能显著增强，故而正极材料在烯铝集流上的长期循环稳定性更高且自放电率更低。同时，由于石墨烯优异的导电性能，降低了集流体与活性物质之间的电荷转移内阻，从而提升了锂离子电池的倍率性能。

该研究工作近期已在 Advanced Materials上在线发表8。随着全新的烯铝集流体材料的规模制备和使用，将为开发长寿命的商用锂离子电池及高性能的动力电池提供新思路。

(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