杨远教授Joule：电池集流体的轻量化设计

研究背景

发展具有高比能的电池对于电动汽车和便携式电子设备至关重要。之前的研究已经探索了通过各种方式来增加电池的比能量，如开发新的高容量电极材料（如高镍氧化物正极、硫正极和锂金属负极），以及增加电极活性材料的载量和密度，但金属集流体（铜和铝）的“自重”所占百分比仍十分高，制约了能量密度的提高。因此，合理设计集流体对于发展高比能锂金属电池至关重要。

成果简介

近日，美国哥伦比亚大学杨远教授团队在Joule上发表了题为“Engineering current collectors for batteries with high specific energy”的论文。该工作分析了轻质集流体对锂-高镍正极和Li-S电池比能量的影响，以及相关的优势和挑战。同时，以电动汽车和便携式电子产品常用的软包电池为研究对象，指出了不同类型电池之间，对集流体的不同要求，如加工方式和机械强度等。

研究亮点

（1）分析了发展轻质集流体的不同策略，并指出了相应的优缺点；

（2）虽然集流体轻量化增加了电池的比能量，但也应注意在电池阻抗、散热能力和力学方面的影响；

（3）指出了高加工成本仍然是轻量化集流体工业制造的主要障碍。

图文导读

1.金属集流体的发展

实际上，之前论文对于轻量化集流体研究已经进行了广泛的探索（图1）。研究表明，1999年，Cu和Al集流体的厚度分别为20 μm和18 μm，分别占电池重量的19.3%和5.7%。2011年，Cu和Al的重量百分比下降到9.6%和4.4%。2016年，Cu和Al的厚度分别为10和15 μm。到目前为止，最先进的Cu和Al集流体厚度仅为6 μm和10 μm，占电池重量的6.4%和3%。

杨远教授Joule：电池集流体的轻量化设计

图1 1999年至2018年，传统锂离子电池中Cu和Al集流体的厚度和重量占比。

2.锂金属电池系统中的集流体轻量化

虽然Cu和Al现在占电池重量的比例较低，但高容量电极材料的快速发展，可能会迅速降低电极材料的重量，并再次增加集流体在电池中所占的比例。因此，合理设计轻量化集流体可使电池比能量增加5%-20%（20-100 Wh kg^-1）。

图2A显示了基于锂/高镍氧化物的软包电池，在贫电解液下的比能量与Al和Cu集流体厚度的关系。同时，鉴于Cu比Al的密度大(8.9 vs. 2.7 g cm^-3)，因此Cu对电池比能量的影响大于Al。此外，如果集流体能够完全去除，比能量将达到425 Wh kg^-1，比现有的最高比能量还多15%。图2B和2C中绘制了比能量与集流体厚度、硫载量、硫利用率和E/S（电解质/硫）的关系。研究表明，相比通过提高硫载量实现更高的Li-S电池比能量，通过减少集流体的质量实现高比能的方式更加显著。

然而，需要指出的是，对于锂金属电池而言，完全去除Cu集流体，面临着锂负极不均匀沉积/剥离、局部温度升高、电子电导率降低的挑战。与此同时，完全去除Al集流体，则面临着正极低电导率的缺陷（一般为1 S cm^-1），远远低于期望值(>1000 S cm^-1)。

杨远教授Joule：电池集流体的轻量化设计