集流体是可充电锂离子电池(LIBs)的重要组成部分，它是内外电路的桥梁。尽管正负极电极材料千变万化，Al箔和Cu箔由于具有高导电性，适当电化学稳定性和低成本等优点，在LIBs中依然分别是最受欢迎的正极和负极集流体。然而，Al箔在长期的循环过程中，易受到局部电化学阳极腐蚀，造成电阻增加、短路和寄生副反应等。为解决这个问题，研究人员利用石墨烯薄膜作为导电涂层和界面隔离层提高铝箔的抗电化学腐蚀性能。通过等离子体化学气相沉积法在商业集流体用的铝箔上直接生长多层的石墨烯膜，利用与铝箔紧密贴合的多层石墨烯薄膜具有离子/分子不通透性，可以有效阻止阳极极化产生的Al3+和电解液中的阴离子、溶剂分子等配位络合。因此，石墨烯包覆铝箔可以显著提高其抗电化学腐蚀性。
【成果简介】
近日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授和刘忠范院士(共同通讯作者)研究小组用低温生长的石墨烯薄膜包覆铝箔增强了其在LiPF6和LiTFSI电解液中的抗腐蚀性。此外，相比初始的铝箔(LMO/PA)，LiMn2O4电池使用石墨烯包覆铝箔作为集流体(LMO/GA)显示出更优异的电化学性能。LMO/GA的长期放电容量保持率，在950h后，依然能达到初始的91%，明显高于LMO/PA电池的75%，且自放电率更低。该研究成果以“Graphene-ArmoredAluminumFoilwithEnhancedAnticorrosionPerformanceasCurrentCollectorsforLithium-IonBattery”为题发表在Adv.Mater.上。
【图文导读】
图1.石墨烯包覆铝箔集流体的抗电化学腐蚀的示意图
图2.通过PECVD法制备石墨烯包覆铝箔的合成与表征
(a)所合成GA的实物照片;
(b)GA的拉曼谱;
(c)GA中C1s的XPS;
(d)GA的截面透射电镜图;
(e)GA的元素分布图;
(f)所制多层石墨烯的低倍透射电镜图;插图多层石墨烯的高倍透射电镜图，比例尺为5nm。
图3.GA提高抗电化学腐蚀性能
(a)GA在LPF6电解液中的CV曲线;
(b)PA在LPF6电解液中的CV曲线;
(c)CV测试后，GA的扫描电镜图;
(d)PA测试后，GA的扫描电镜图，插图的比例尺为2μm。
图4.GA集流体提高电池电化学性能
(a)LMO/PA和LMO/GA电池的长时间低倍率循环性能，实心和圆圈分别是Ccha和Cdis;
(b)LMO/PA和LMO/GA电池的自放电曲线;
(c)LMO/PA和LMO/GA电池的倍率/功率性能;
(d)LMO/PA和LMO/GA电池的充放电曲线，实线和圆圈分别是LMO/PA和LMO/GA电池;
(e)LMO/PA和LMO/GA电池的电化学阻抗分析。
【小结】
研究人员充分利用对离子分子不通透的石墨烯薄膜，在低温条件下直接在铝箔表面生长多层石墨烯薄膜，可以提高集流体在LiPF6和酰亚胺基电解液中的抗腐蚀性。同时，研究者的研究表明LiMn2O4电池用石墨烯包覆铝箔作为集流体拥有优越的电化学性能，包括更好的长期循环性和倍率性能，并且改善了自放电性能。这也为未来5V高压锂离子电池的设计奠定了基础。
