3D泡沫集流体大幅提升锂离子电池体积能量密度

目前商业锂离子电池普遍采用的集流体为Al箔和Cu箔，正负极活性物质通过涂布工艺在集流体的表面形成二维膜，集流体与活性物质膜之间只是通过有限的界面接触，因此接触阻抗较大，容易成为锂离子电池倍率性能的限制因素。

集流体是锂离子电池内部重要的组成部分，正负极活性物质中的电子通过集流体进入到外电路，并最终返回到另一侧的活性物质之中。目前商业锂离子电池普遍采用的集流体为Al箔和Cu箔，正负极活性物质通过涂布工艺在集流体的表面形成二维膜，集流体与活性物质膜之间只是通过有限的界面接触，因此接触阻抗较大，容易成为锂离子电池倍率性能的限制因素，例如我们在上一篇文章中曾经提到过，韩国公州国立大学通过对Al箔表面氧化-腐蚀处理大幅增加了Al箔表面的粗燥程度，提升活性物质与集流体之间的接触面积，降低了接触阻抗，减少了电池极化，大幅提升了LCO材料的倍率性能。

增加接触面积是降低活性物质与集流体之间接触电阻的最为有效的方法，近日美国加州大学圣迭戈分校的DanielJ.Noelle等采用泡沫Al和泡沫Cu作为集流体，有效增加了活性物质与集流体之间的接触面积，从而能将锂离子电池的涂布量提高到创纪录的16.7mAh/cm2(138mg/cm2，普通高比能电池的两倍)，锂离子电池的体积能量密度提升达到22%，同时该电极结构还改善了锂离子电池的热稳定性，在外短路和挤压测试中采用该结构的电池产生的最高温度仅为普通电池的25%。

实验中采用的泡沫Al和泡沫Cu集流体来自日本住友电气工业株式会社，泡沫Al的厚度为1mm，孔隙率为95%，孔密度为45PPI(每英寸孔的数量)，泡沫Cu的厚度也为1mm，孔隙率为94%，孔密度为105PPI。DanielJ.Noelle将锂离子电池浆料填充在这些微孔之中，并在80℃下干燥24h，然后采用辊压工艺将上述电极碾压到600um，其中正极采用LiCoO2作为活性物质，负极采用石墨作为活性物质。

下图为上述的电极组成的2032型扣式电池的倍率性能测试曲线，从图中可以看到在0.38mA/cm2的电流密度下，单位面积的可逆容量达到16.7mAh/cm2，是普通高比能锂离子电池的两倍左右。但是电极的容量随着倍率增加衰降较快，当放电电流提高到1.88mA/cm2后，电极的单位面积容量就下降到了5mAh/cm2。

下表中作者对比了普通商业2032型扣式电池和泡沫集流体2032扣式电池的电性能，从表中我们在重量能量密度上普通商业2032扣式电池更加具有优势，大约比泡沫集流体电池高11%，但是从体积能量密度上看，泡沫集流体电池则扳回一城，比商业2032扣式电池高22%。

泡沫集流体的优势不仅仅体现在提升体积能量密度上，泡沫集流体的结构特点使得锂离子电池的安全性得到了大幅提升，根据测试采用泡沫集流体的电池在外短路试验中，开始3s的电流仅为普通商业电池的38%，在随后的5min里更是下降到了普通商业锂离子电池的14%，短路电流的下降也带来了产热的降低，在整个外短路试验中电池的最高温度仅为普通商业电池的25%。

Al的密度较轻，因此在微孔密度45PPI时金属Al所占正极的比重仅为8%，但是微孔密度为105PPI的泡沫Cu却占到了负极重量的38%以上，因此在实际应用中可以适当降低泡沫Cu的微孔密度和厚度，以提重量能量密度。

DanielJ.Noelle采用的泡沫Al、泡沫Cu作为锂离子电池的集流体主要优势体现在高负载量上，达到了138mg/cm2，是普通Al箔、Cu箔集流体的负载量的两倍以上，因此在体积能量密度上就体现出了非常大的优势，比普通商业锂离子电池高出22%，但是由于泡沫Cu的重量比较大因此在重量能量密度上，采用泡沫集流体的电池要比普通商业锂离子电池低11%左右。因此总的来看，泡沫Al、Cu集流体更加适合应用在一些对于锂离子电池充放电倍率要求不高，但是对锂离子电池体积限制比较大的领域，例如穿戴设备和微电子等领域。