塑料-铜复合集流体破解硅负极膨胀难题！软包电池能量密度突破360 Wh/kg

硅（Si）负极因其超高理论容量（~3580 mAh/g）是提升锂离子电池能量密度的关键。然而，硅在充放电过程中巨大的体积膨胀（~380%）会导致电极结构破坏、活性材料剥落和电接触失效，严重阻碍其实际应用。传统铜（Cu）集流体（~8.96 g/cm³）不仅重量大（占电池重量的10-15%），限制了能量密度的进一步提升，其刚性表面也难以适应硅的膨胀。轻量化且能有效抑制硅负极膨胀的集流体是高能量密度硅基电池实用化发展的迫切需求。

近日，四川大学刘慰、西华师范大学苟兴龙等在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Advancing silicon anode in pouch li-ion batteries by plastic current collectors with surface moieties”的研究论文。该工作开发了一种表面富含有机官能团的塑料-铜（PlaCu）复合集流体。PlaCu在PET塑料基底（~6 μm）两侧镀覆超薄铜层（~1 μm），具有媲美商用铜箔的电导率，但面密度显著降低（~2.31 vs. 7.33 mg/cm²）。研究在严格的实用化软包电池环境（5x8 cm²尺寸、高电极负载：负极~11.6 mg/cm²，正极LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811） 4.1 mAh/cm²、贫电解液600 μL、N/P=1.2）下，系统评估了PlaCu对硅负极性能的影响。采用气相法硅碳-石墨复合负极（CSi/G）+PlaCu集流体的NCM811软包全电池，在CCCV充电条件下，循环200次后容量保持率高达97.5%，显著优于使用传统Cu集流体的对照组（94.9%），并展现出极高的平均库仑效率（99.98% ± 0.02%）。同样地，采用氧化硅-石墨复合负极（SiO/G）+ PlaCu集流体的电池也实现了200次循环容量保持96.0%（常规Cu集流体为91.9%）和稳定的循环效率。PlaCu集流体有效提升了硅负极的首次库仑效率（ICE），CSi/G@PlaCu负极ICE达到89.1%（Cu集流体为86.3%），SiO/G@PlaCu负极ICE达到86.3%（Cu集流体为84.1%）。得益于PlaCu极轻的重量（仅为Cu的~30%）和更高的ICE，CSi/G@PlaCu||NCM811软包电池能量密度突破至360.0 Wh/kg，相比使用传统Cu集流体的电池（310.3 Wh/kg）大幅提升16.0%）。原位膨胀测试进一步证实PlaCu能更好地“消化”硅的体积膨胀，CSi/G@PlaCu负极的膨胀率低至 0.91 μm/(mAh/cm²)，远优于CSi/G@Cu负极的1.15 μm/(mAh/cm²)。该研究不仅在软包全电池层面验证了PlaCu集流体对硅负极性能（循环寿命、能量密度、界面稳定性）的提升，也为锂离子电池高比能发展指明了方向。

要点一：轻质强韧的PlaCu集流体设计

PlaCu采用PET基底（低密度~1.3 g/cm³）双面镀覆1 μm Cu层，面密度仅为传统8 μm Cu箔的~30%（2.31 vs. 7.33 mg/cm²），导电性相当（~5.85×10⁶ S/m）。PlaCu还具备优异的柔韧性（断裂伸长率18.0% vs. Cu的~4.2%）和机械强度（~205 MPa），在电解液和100 ℃下表现出良好的化学与热稳定性。

要点二：半电池中PlaCu对硅负极性能影响

研究通过扣式半电池（对电极为Li金属）系统对比了PlaCu与Cu集流体对两种典型硅材料（SiO和CSi）负极电化学性能的影响。SiO/G@PlaCu负极的ICE达到88.4%，高于SiO/G@Cu的87.5%；CSi/G@PlaCu 负极的ICE高达91.0%，显著优于CSi/G@Cu的 87.3%（均为5个电池取平均值）。PlaCu表面富含的有机官能团（如C=O, C-OOC）有效抑制了传统Cu表面发生的不可逆副反应（如表面CuₓO被还原消耗Li⁺、Li⁺向Cu晶界扩散损失），减少了首次循环中的活性锂消耗。在0.2C充放电下，SiO/G@PlaCu循环50次后容量保持率达89.8%，远优于SiO/G@Cu的 82.5%。CSi/G@PlaCu展现出更优异的循环性能，50次循环后容量保持率达91.2%，显著高于CSi/G@Cu的 80.3%。其CE也表现出更好的稳定性。

要点三：复合集流体担载的硅负极全电池

要点四：界面稳定机制

要点五：前瞻

苟兴龙教授简介：西华师范大学化学与化工学院，南开大学博士，香港大学、澳大利亚Wollong大学、Monash大学博士后，硕士生导师。教学标兵、教学名师、科研十佳，四川省学术和技术带头人后备人选，教育部新世纪优秀人才支持计划获得者，第十三届全国人大代表。承担国家自然科学基金面上项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目、国家863计划项目等科研项目10余项，在Journal of American Chemical Society, Journal of Materials Chemistry, Journal of Energy Chemistry, ACS Catalysis等国际学术期刊上发表学术论文近50篇（SCI引用超过7000次），出版编著2部，荣获省部级奖励4项，取得国家发明专利授权2项。

付举副教授简介：中国民用航空飞行学院民航安全工程学院，博士/副教授/硕导。主要从事锂离子电池关键材料的制备及机理研究和锂电池热安全的形成演化机理及监测预警技术。主持四川省科技厅项目1项，在Journal of Energy Chemistry, Electrochimica Acta, Battery Energy等期刊多发表篇论文。

刘慰研究员简介：四川大学新能源与低碳技术研究院，博士/研究员/博士生导师，面向可再生电能的高效致密储存，针对低空飞行器、新能源汽车及移动电子设备等应用场景，研究开发合金型负极及箔/膜材的大面积成型及应用技术。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省科技厅及行业知名企业委托开发等项目十余项；以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Energy. Environ. Sci.、Angew. Chem.、Adv. Energy Mater. 等期刊发表论文，6篇入选ESI高被引/热点论文。研究成果受到腾讯网、科学网、Advanced Science News，Nanowerk等媒体转载报道，获发明专利授权10项（已转化/转让5项，均排1）；获技术成果收益超800万元。