集流體是可充電鋰離子電池(LIBs)的重要組成部分，它是內(nèi)外電路的橋梁。盡管正負(fù)極電極材料千變?nèi)f化，Al箔和Cu箔由于具有高導(dǎo)電性，適當(dāng)電化學(xué)穩(wěn)定性和低成本等優(yōu)點，在LIBs中依然分別是最受歡迎的正極和負(fù)極集流體。然而，Al箔在長期的循環(huán)過程中，易受到局部電化學(xué)陽極腐蝕，造成電阻增加、短路和寄生副反應(yīng)等。為解決這個問題，研究人員利用石墨烯薄膜作為導(dǎo)電涂層和界面隔離層提高鋁箔的抗電化學(xué)腐蝕性能。通過等離子體化學(xué)氣相沉積法在商業(yè)集流體用的鋁箔上直接生長多層的石墨烯膜，利用與鋁箔緊密貼合的多層石墨烯薄膜具有離子/分子不通透性，可以有效阻止陽極極化產(chǎn)生的Al3+和電解液中的陰離子、溶劑分子等配位絡(luò)合。因此，石墨烯包覆鋁箔可以顯著提高其抗電化學(xué)腐蝕性。

【成果簡介】

近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授和劉忠范院士(共同通訊作者)研究小組用低溫生長的石墨烯薄膜包覆鋁箔增強(qiáng)了其在LiPF6和LiTFSI電解液中的抗腐蝕性。此外，相比初始的鋁箔(LMO/PA)，LiMn2O4電池使用石墨烯包覆鋁箔作為集流體(LMO/GA)顯示出更優(yōu)異的電化學(xué)性能。LMO/GA的長期放電容量保持率，在950h后，依然能達(dá)到初始的91%，明顯高于LMO/PA電池的75%，且自放電率更低。該研究成果以“Graphene-ArmoredAluminumFoilwithEnhancedAnticorrosionPerformanceasCurrentCollectorsforLithium-IonBattery”為題發(fā)表在Adv.Mater.上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.石墨烯包覆鋁箔集流體的抗電化學(xué)腐蝕的示意圖

圖2.通過PECVD法制備石墨烯包覆鋁箔的合成與表征

(a)所合成GA的實物照片;

(b)GA的拉曼譜;

(c)GA中C1s的XPS;

(d)GA的截面透射電鏡圖;

(e)GA的元素分布圖;

(f)所制多層石墨烯的低倍透射電鏡圖;插圖多層石墨烯的高倍透射電鏡圖，比例尺為5nm。

圖3.GA提高抗電化學(xué)腐蝕性能

(a)GA在LPF6電解液中的CV曲線;

(b)PA在LPF6電解液中的CV曲線;

(c)CV測試后，GA的掃描電鏡圖;

(d)PA測試后，GA的掃描電鏡圖，插圖的比例尺為2μm。

圖4.GA集流體提高電池電化學(xué)性能

(a)LMO/PA和LMO/GA電池的長時間低倍率循環(huán)性能，實心和圓圈分別是Ccha和Cdis;

(b)LMO/PA和LMO/GA電池的自放電曲線;

(c)LMO/PA和LMO/GA電池的倍率/功率性能;

(d)LMO/PA和LMO/GA電池的充放電曲線，實線和圓圈分別是LMO/PA和LMO/GA電池;

(e)LMO/PA和LMO/GA電池的電化學(xué)阻抗分析。

【小結(jié)】

研究人員充分利用對離子分子不通透的石墨烯薄膜，在低溫條件下直接在鋁箔表面生長多層石墨烯薄膜，可以提高集流體在LiPF6和酰亞胺基電解液中的抗腐蝕性。同時，研究者的研究表明LiMn2O4電池用石墨烯包覆鋁箔作為集流體擁有優(yōu)越的電化學(xué)性能，包括更好的長期循環(huán)性和倍率性能，并且改善了自放電性能。這也為未來5V高壓鋰離子電池的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。