崔屹教授最新Nature Energy：用于高比能量密度和高安全性锂离子电池的超轻型和灭火型集流体- 大数跨境

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崔屹教授最新Nature Energy：用于高比能量密度和高安全性锂离子电池的超轻型和灭火型集流体

科学材料站

2020-10-19

导读：该工作对传统的集流体进行革新，提出了一种具有超轻和灭火型的PI基集流体，它可以使电池集流体的自重最小化并降低LIB的燃烧性。因此，这种超轻和阻燃嵌入式集流体能够同时提高LIB的比能量密度和安全性。

文章信息

用于高比能量密度和高安全性锂离子电池的超轻型和阻燃型集流体

First published: October 15, 2020

第一作者：叶玉胜

通讯作者：崔屹*

单位：斯坦福大学

研究背景

锂离子电池（LIB）是现代人类文明中无处不在的技术，可为便携式电子设备，电动汽车和电网储能等设备供电。智能设备的飞速发展对研发更高能量密度和更安全LIB提出了更高的挑战。常规提高锂电池能量密度的方法主要集中于研发优化新型高比能电极材料及提高电池的工作电压。然而优化电池中非活性物质对于提高电池比能量同样意义重大且空间巨大。集流体（CCs）通常是由密度高的导电金属箔膜组成。

传统意义上，其主要功能主要是传导电子，但是他们通常被认为对电池容量没有贡献，是电池中的非活性组成部分，且具有相当大的自重。因此，电池工业界一直在尝试通过减小金属箔的厚度以获得较轻的集流体。但是持续降低集流体厚度会降低其机械强度，给电池带来负面作用。

文章简介

近日，斯坦福大学崔屹教授等合作，在国际顶级期刊 Nature Energy (影响因子：46.495) 上发表题为“Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries”的研究工作。

该工作对传统的集流体进行革新，提出了一种具有超轻和灭火型的PI基集流体，它可以使电池集流体的自重最小化并降低LIB的燃烧性。因此，这种超轻和阻燃嵌入式集流体能够同时提高LIB的比能量密度和安全性。

本文要点

要点一：本文提出了一种制备具有灭火性能的超轻质PI基集流体的可行办法，并与使用最薄的铜集流体制造的LIB做电池比能量的对比，进一步研究了铜厚度与所制备集流体的导电率之间的关系。当金属层厚度达到500 nm时，集流体的导电率达到普通商用金属箔的电导率，可以满足电池正常的充放电需求。基于这种新型集流体，电池的比能量密度可以再提升8～26% 。

要点二：本文通过一系列设计和表征测试，探究了控制阻燃剂含量的潜在机理以及将电池的功能集中于集流体中的优势。该设计有效规避了由于额外添加材料对电池本征的电子/离子传输和电池重量所带来的负面影响，并避免了可能潜在的副反应。

要点三：本文首次突破了致密金属集流体的常规设计，首次将不同功能集合到电池集流体中，开拓了多功能集流体的研究方向。

要点四：最后，通过提供更安全的具有更高比能量的锂电池，本文设计下一代集流体的策略在实际电池应用中具有广阔的前景。这阻燃聚合物，阻燃剂和金属薄层共同作用的集流体，为电池带来可靠的安全性。同时，这种基于柔性聚合物的集流体为将来开发新型高能量密度和更安全的柔性锂离子电池带来希望。

第一作者专访

1.该研究的设计思路和灵感来源

电池中集流体功能往往比较单一，占据作为电池整体的质量高。由于其通常为金属致密层，难以进一步被开发利用。我们的设计思路首先是要降低这种非活性物质的质量，其次是将其开发成为多功能集流体。

2.该实验难点有哪些？

实验难点之一在于如何降低集流体重量以及开发什么新属性。

实验难点之二为如何选择具有特殊属性的聚合物和阻燃剂，以及如何将阻燃材料均匀和有效地嵌入有机物膜中，并能维持稳定和维持良好的机械强度。

实验难点之三在于如何增强支撑膜和金属层之间的粘附性，如何平衡金属层厚度和导电性之间的关系。

实验难点之四在于如何实现这种金属集流体的焊接功能，以满足未来电池组装的需求。

3.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

从集流体的角度来讲，以往的集流体主要集中在以下几种设计：

（1）降低金属集流体厚度；（2）碳基二维集流体；（3）三维多孔集流体。降低金属集流体厚度往往会使得集流体的机械强度受损，给电池带来负面作用。

使用碳基二维集流体可得到轻质集流体但通常也带来较差的机械强度。三维多孔集流体往往需要添加过量的电解液，影响电池质量能量密度同时由于其多孔结构也会影响电池体积能量密度。此外, 这些集流体往往制备成本比较高或者在大规模制备中存在难点。

从电池安全性的角度来讲，以往提高电池的安全性方法有将阻燃材料嵌入于隔膜/电解液/电极材料中，而这种方法在一定程度上影响了电池工作中锂离子的传输或者电子的传导路径，而且往往给电池增加额外重量。其他方法还有使用不可燃性电解液，使用固态电解质，或者使用高浓度锂盐等等，这些方法往往因为或增加电解液粘度，或降低锂离子传导速率，或影响工作电压，或影响机械强度等不同原因，降低了电池的性能。

一般认为电池的能量密度和安全性是一对矛盾。电池比能量密度越高，通常会牺牲电池安全性。提高电池的安全性，则往往会降低电池的比能量密度。

我们这种新型集流体的设计可以同时解决两大问题：提高比能量密度和提高电池安全。通过降低电池中非活性物质集流体的质量，提高了电池比能量密度。而防火材料和阻燃材料的使用又提高了电池的安全性。

这种设计有效避免了对电池内部离子和电子传输的影响，突破了传统集流体仅用于传导电子的设计。此外，这种新型设计，为进一步开发多功能集流体提供了更多可能，同时为未来开发新型柔性锂离子电池的研发开阔了新方向。

文章链接

Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries

https://doi.org/10.1038/s41560-020-00702-8

通讯作者介绍

崔屹，纳米材料科学家，斯坦福大学教授。

1998年崔屹获得中国科学技术大学理学学士学位；2002年在哈佛大学获得博士学位；2003年在加州大学伯克利分校从事博士后研究；2004年入选世界顶尖100名青年发明家；2005年进入斯坦福大学材料科学与工程系任教，先后担任助理教授、副教授、教授；2014年获得首届纳米能源奖；2017年获得布拉瓦尼克青年科学大奖之物质科学与工程技术奖。崔屹主要研究内容为纳米材料在能量存储、光伏器件、拓扑绝缘体、生物及环境等方向的应用。

第一作者介绍

叶玉胜

2018年获得北京理工大学博士学位，2018年11月开始加入斯坦福大学崔屹教授团队从事博士后研究。主要的研究方向为锂硫电池和锂离子电池等相关能源存储器件。