集流體是可充電鋰離子電池(LIBs)的重要組成部分，它是內外電路的橋梁。盡管正負極電極材料千變萬化，Al箔和Cu箔由于具有高導電性，適當電化學穩定性和低成本等優點，在LIBs中依然分別是最受歡迎的正極和負極集流體。然而，Al箔在長期的循環過程中，易受到局部電化學陽極腐蝕，造成電阻增加、短路和寄生副反應等。為解決這個問題，研究人員利用石墨烯薄膜作為導電涂層和界面隔離層提高鋁箔的抗電化學腐蝕性能。通過等離子體化學氣相沉積法在商業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生的Al3+和電解液中的陰離子、溶劑分子等配位絡合。因此，石墨烯包覆鋁箔可以顯著提高其抗電化學腐蝕性。

【成果簡介】

近日，北京大學化學與分子工程學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)顯示出更優異的電化學性能。LMO/GA的長期放電容量保持率，在950h后，依然能達到初始的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”為題發表在Adv.Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.石墨烯包覆鋁箔集流體的抗電化學腐蝕的示意圖

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性能

(a)LMO/PA和LMO/GA電池的長時間低倍率循環性能，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電池的電化學阻抗分析。

【小結】

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越的電化學性能，包括更好的長期循環性和倍率性能，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計奠定了基礎。