鋰離子電池由于其能夠在能量密度、循環壽命和成本等發面實現很好的均衡，已經成為了各行各業不可或缺的儲能裝置。現如今，隨著大家對儲能需求的不斷增加，追求高能量密度和高安全性的鋰離子電池成為了大家關注的焦點。

集流體作為鋰離子電池的重要組成部分，對鋰離子電池的電化學性能、安全性和能量密度有著重要的影響，但遺憾的是，在過去，集流體對鋰離子電池的影響并沒有引起足夠的重視。近年來，隨著鋰離子電池的不斷發展以及大家對問題的認識不斷加深，集流體得到了越來越多的關注，集流體也正在從過去單一化功能逐漸往多功能化集流體轉變，比如大家現在比較熟知的塑料集流體和復合集流體。

追根溯源，我們發現早在2013年，清華大學核能與新能源技術研究院何向明老師課題組高瞻遠矚，發表了鋰電池領域第一篇關于塑料集流體的論文。下面回顧一下論文的主要內容。

【摘要】

無金屬電池在高能量密度、低成本、高安全、環保和可持續性方面具有重要的現實意義。在這里，使用石墨烯涂覆的聚對苯二甲酸乙二醇酯（G-PET）膜（商用現貨）作為集流體和硫化聚丙烯腈（SPAN）作為活性材料的無金屬陰極，旨在實現低成本和高能量密度電池。使用SPAN/G-PET陰極組裝了110 mAh的鋰硫（Li-S）電池，顯示能量密度為452 Wh/kg (不包括包裝的重量)，在100%深度放電30個循環后容量保持率為96.8%。對電池的自放電特性進行了測試，在室溫下儲存30天后，放電容量下降不到1%，這表明基于SPAN的Li-S電池自放電很低。本文表明，G-PET可以成為鋰離子電池的一個潛在的有前途的集流體。

【全文解析】

（1）PET薄膜的優勢

PET薄膜是容易獲得的商用現貨產品。PET膜應用非常廣泛，例如，印刷、標簽、裝飾等。PET薄膜具有良好的平衡特性，這使得溫度和張力控制的操作窗口更大。表1中列出了幾種典型塑料薄膜的特性，其中PET薄膜具有以下特性：可以承受高的加工溫度；優異的高張力的轉換過程；具有高耐用性和最高的使用溫度；具有燃燒自熄滅性；在-70℃能充分發揮功能。PET還具有良好的耐酸性、乙醇、酮類、碳酸鹽、DMF、N-甲基吡咯烷酮等性能。PET薄膜的上述性能為其作為鋰電池結構材料的應用提供了有利的條件。

表1.典型塑料薄膜的比較數據。

（2）G-PET集流體優勢和電池的組裝

目前用于鋰電池集流體的材料是鋁和銅，這兩種金屬的特性如表2所示。集流體（鋁箔和銅箔），大約占到鋰電池重量的15-20%和成本的10-15%。使用涂有石墨烯的PET薄膜（石墨烯的含量為2 g/m2。）作為鋰離子電池集流體，其重量和成本將有所下降。圖1 (a)顯示了商業化PET薄膜產品的照片，它非常容易獲得。圖1 (b)顯示了一張PET薄膜的照片，它是一種透明薄膜。圖1 (c)和(d)顯示了G-PET薄膜的照片和SEM圖像，可以看到石墨烯被均勻地涂在PET薄膜的表面上。

表2.不同集流體材料的比較數據。

圖1.(a)商業化PET薄膜照片；(b) 一張PET薄膜的照片；(c) 一張G-PET薄膜的照片；(d) G-PET薄膜的SEM圖像，涂層厚度為1mm。

圖2顯示了帶有G-PET薄膜集流體的SAPN電極和帶有層壓軟包裝的堆疊電池。如圖2 (a)所示，電極看起來光滑平坦。由于單面涂層，壓實后它會有點卷曲，如圖2 (b)所示。使用層壓軟包裝組裝帶有鋰箔陽極的單層堆疊電池，如圖2 (c)所示，其容量約為110 mAh，該電池使用SPAN陰極，G-PET集流體和1 M LiPF6/EC+ DEC電解液，顯示出能量密度為452 Wh/kg（不包括包裝重量）。盡管在該電池中使用的鋰超過了約80 wt%，但如果電池容量為10 Ah，計算出的能量密度超過了420Wh/kg。

圖2.(a) 壓實前的電極片照片；(b) 壓實后帶極耳的電極照片；(c) 疊層軟包電池的照片。

（3）電化學性能

圖3顯示了該100 mAh電池在組裝后的電化學性能。圖3 (a)顯示了在1 M LiPF6/EC+DEC電解質中3.0 V和1.0 V之間的充電/放電性能，平均充電和放電電壓分別逐漸穩定在2.24和1.95 V，充電和放電過程之間的電壓差小于0.3 V。圖3 (b)顯示了循環性能。該電池在第一次放電過程中顯示出114.3 mAh的容量。隨后，在接下來的循環中，容量穩定在約110 mAh。在100%放電深度下進行30次循環后，容量保持在110 mAh以上，等效容量保持率為96.8%，每循環平均容量退化率小于0.11%，這比使用鋁集流體的電池要好得多（每循環平均容量退化率約為0.32%）。這表明，在1 M LiPF6/EC+DEC電解質中，采用石墨烯涂層PET膜集流體和SPAN陰極的電池是硫基電池實際應用中有前途的候選電池。

圖3.在1 M LiPF6/EC+DEC中，在5 mA的電流下，電池在3.0 V和1.0 V之間進行充電/放電。(a)第1次和第30次循環；(b) 循環性能。

放電曲線隨儲存時間的變化如圖4 (a)所示。組裝的電池顯示了先前報告的基于SPAN的電池的典型放電曲線，放電容量為113 mAh，隨著儲存時間的增加，放電容量逐漸減小。5天后，放電曲線與初始曲線幾乎相同。儲存10天后，電池容量僅略有下降。儲存30天后，放電曲線的變化也非常微弱。其電壓和容量略低于原來的電壓和容量。如圖4 (b)所示，放電容量隨著儲存時間的增加而逐漸減小，電池在30℃條件下儲存30天后僅有0.8%的自放電。在實際應用中，每月0.8%的自放電率是可接受的，這種基于SPAN的電池的自放電性能比之前報道的要好得多（Li/S電池在室溫下儲存30天后自放電率為17%）。這進一步表明，在1M LiPF6/EC+DEC的電解質中，具有石墨烯涂層PET膜集流體和SPAN陰極的電池是實際使用中有前途的硫基電池候選電池。

圖4.(a)隨儲存時間變化的放電曲線；(b) 放電容量保持率隨儲存時間的變化。

【總結】

我們成功制備了基于G-PET薄膜基材的塑料集流體。塑料集流體由于其成本低、金屬消耗少、重量輕和化學穩定性好等優點，大大提高了Li-S電池的性能。由于G-PET薄膜的密度僅為1.37 g/cm3，遠小于銅的六分之一（8.94 g/cm3）。因此可以用來設計具有改進能量密度的輕質電池。帶有GPET集流體的電池顯示能量密度為452Wh/kg（不包括包裝重量），在100%深度放電循環30次后，該電池的容量保持率為96.8%，表明每循環的平均容量退化率為0.11%。自放電測試表明，在30℃下儲存30天后，基于SPAN的電池僅有0.8%的自放電，這在實際應用中是完全可以接受的。此外，在有機電解質中的穩定性是鋰電池集流體應用塑料聚合物基材的一個關鍵標準。基于我們的研究結果，塑料集流體對有機電解質是惰性的，但對石墨烯薄膜有良好的附著力。

審核編輯 ：李倩