新闻网讯 近日，物理与力学学院何大平教授和材料科学与工程学院麦立强教授科研团队合作在高安全性锂离子电池的研究上取得创新性突破，该工作提出一种可大规模制备的石墨烯集流体，能够有效调节电池传热，显著提高电池安全性。相关研究成果以题为“Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety”发表在最新一期《Nature Chemical Engineering》上。我校何大平教授、麦立强教授和深圳大学杨金龙副教授为论文的通讯作者，第一作者是来自物理与力学学院的博士后李伦。
安全问题已经成为高能量密度锂离子电池实际应用的长期且关键的挑战。锂离子电池的安全是由于电池内部的散热速度慢于热量产生的速度，导致电池内部热量集中，触发一系列放热反应，电池温度不断升高，最终引发热失控。因此，控制电池内部热量的产生和改善电池的传热对于消除电池热失控问题至关重要。尽管现有的锂离子电池制造商已经开发了完善的电池管理系统和电池配置来监测电池的热环境和加速传热，但在改善电池内部传热和有效地消散局部积累的热量方面仍然存在重大挑战。传统的金属集流体如Cu和Al，其导热性能较差，热导率仅为200 ~ 400 W m-1 K-1。相比之下，具有强共价键和低原子质量的二维层状石墨烯（Gr）材料在室温下的热导率高达600 ~ 5,300 W m-1 K-1，作为电池的集流体可以提供最为有效的传热路径。然而，大规模生产的Gr薄膜由于存在大量缺陷和孔洞，导致其热导率和机械强度不足，距离商业化还有较大的难度。因此，如何开发先进的策略来制备高导热、高结晶、无缺陷和易于大规模生产的Gr集流体是未来高安全锂离子电池发展的关键。
图1 石墨烯集流体及软包电池的大规模制备
基于此，该工作报告了一种快速温度响应非金属集流体，它可以替代基准铝箔和铜箔，从而提高电池的安全性。这种非金属CC是通过连续热压工艺制造的，从而获得了百米级的高取向性石墨烯箔。这种Gr箔的热导率高达1400.8 Wm-1K-1，比铝箔和铜箔高出约一个数量级。重要的是，集成了这些温度响应箔的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||石墨电池的散热速度更快，消除了局部热量集中，避免了快速放热的铝热反应和氢化反应，而这些反应是导致锂离子电池组热失效传播的关键因素。这种快速热响应和轻质的石墨烯集流体的设计将确保锂离子电池在安全范围内以更高的输出能量运行，并在极端恶劣的滥用条件下依旧保持安全。
核心内容：
1、采用大规模生产的方式制备出具有优异的导电性（1.3×106 S m-1）和导热性（1400.8 W m-1 K-1）的Gr集流体，单次制备量可以达到100米以上。
2、采用Gr集流体的软包电池有效减少了电池在快速充电/放电过程中热量聚集的风险，实现了整体更低的温度和更均匀的热量分布。此外，Gr||Gr软包电池能够承受极端的针刺实验而不会发生起火和爆炸，实现了本征高安全性。
3、首次提出了当前商业化锂离子电池热失控的机理，归因于铝箔中的铝热反应（2Al + 3NiO → Al2O3 + 3Ni）和氢气生成反应（2Al + 6HF → 3H2↑ + 2AlF3），这两种能量释放型反应增强了热失控过程中的燃烧和爆炸程度。
4、深入揭示了Gr||Gr软包电池安全性提升的机理：Gr优异的高温稳定性和快速的导热性能，前者提供了Gr||Gr电池本征安全的前提，后者赋予了Gr||Gr电池自散热的能力。
图2 软包电池在热失控过程中的安全性能及机理分析
该研究针对当前电动车、电动汽车中锂离子电池频繁起火带来的燃烧、爆炸等安全隐患，开发了一种具有超高电导率和热导率的新型集流体Gr，以取代传统电池中的Al箔和Cu箔，成功制备了一种具有快速散热能力且在极端针刺下不起火的高安全性锂离子电池。通过XRD、Raman、SEM、应力-应变曲线等测试系统地表征了Gr的微观结构和物理化学性质，论证了其作为集流体的可行性。进而再通过产业线上参数调试和焊接技术的改进实现了软包电池的批量化制备。利用一系列电化学测试研究了组装的Gr||Gr软包电池在能量密度和循环稳定性方面的优势。最后结合一系列的热实验表征和理论模拟深入探讨了Gr对电池安全性提升的机理。因此，该研究将为高安全和高能量密度锂离子电池的设计提供新的理论见解，推动当前动力电池和大规模储能系统的安全性创新。
【文章信息】
Lun Li#, Jinlong Yang#*, Rui Tan#, Wei Shu#, CheeTong John Low, Zixin Zhang, Yu Zhao, Cheng Li, Yajun Zhang, Xingchuan Li, Huazhang Zhang, Xin Zhao, Zongkui Kou, Yong Xiao, Francis Verpoort, Hewu Wang, Liqiang Mai*, Daping He*, Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety, Nature Chemical Engineering.
链接：https://doi.org/10.1038/s44286-024-00103-8
文：何大平；编辑：曹明；审核：余峰