界面工程化金属化塑料集流体助力高安全高稳定快充锂离子电池

本文报道了针对金属化塑料集流体(MPCC)在快充锂离子电池(LIBs)中速率性能不足的瓶颈问题，创新性地通过表面碳涂层(~300 nm)修饰策略，显著降低LiCoO2阴极与集流体的接触电阻。研究团队通过多物理场模拟证实，碳涂层Al-PET(C@Al-PET)集流体可均匀化电位分布，使6.0-Ah石墨||LCO软包电池在保持冲击测试高安全性的同时，获得媲美传统铝集流体的4C快充性能和更优的循环稳定性(2000次循环容量保持率75.8%)。该工作为高能量密度与高安全性LIBs的兼容设计提供了新思路。

　　

在电动汽车和便携电子设备蓬勃发展的今天，锂离子电池(LIBs)的安全事故却频频见诸报端——中国应急管理部数据显示，仅2022年第一季度就发生640起电动汽车火灾事故。传统LIBs在追求更高能量密度的同时，金属集流体(CC)的机械脆性成为安全隐患的"阿喀琉斯之踵"。金属化塑料集流体(MPCC)虽通过聚合物夹层设计显著提升安全性，但其薄层金属(<1.5 μm)导致的界面接触问题却使快充性能大打折扣。这个"鱼与熊掌不可兼得"的行业难题，正阻碍着高安全快充电池的商业化进程。

某研究团队在《eScience》发表的研究给出了破局之道。他们发现制约MPCC快充性能的关键并非传统认为的集流体本征电导率，而是活性材料层与集流体间的界面接触电阻。通过原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)表征，团队首次捕捉到Al-PET集流体在电极压延过程中因PET基材与LiCoO₂(LCO)颗粒变形失配产生的微米级孔隙，这些"电子鸿沟"使接触电阻飙升至4.5 Ω，是传统铝集流体的2倍有余。

研究团队创新性地开发出"三明治"式碳涂层Al-PET(C@Al-PET)集流体，其核心技术包括：1) 真空卷对卷热蒸发制备1 μm铝层/10 μm PET基材；2) 超薄碳浆料(含Super P、KS-6石墨和碳纳米管)间歇涂布形成300 nm多孔层；3) 通过四探针法和定制电极电阻测试装置解耦接触电阻(R_contact)。电化学测试显示，该设计使6.0-Ah软包电池在4C快充时恒流充电容量占比(η)从Al-PET的10%跃升至21%，与铝集流体相当；更令人惊喜的是，2000次循环后容量保持率反超铝集流体4个百分点。

2.1 材料设计与制备
通过优化卷对卷真空沉积工艺，团队制备出36,000米长的Al-PET集流体带材。碳涂层独特的"纳米级粗糙度"(AFM显示表面起伏达0.6 μm)既增强界面机械互锁，又提供多维电子传输路径，使接触电阻降至2.5 Ω。

2.3 电化学性能突破
在4C快充测试中，C@Al-PET电池展现出5.60 Ah的充电容量(达0.2C容量的94.7%)，且恒流阶段容量占比η达21.0%，完全扭转了MPCC在快充领域的劣势。EIS谱图显示其电荷转移电阻(Rct)显著低于未涂层样品。

2.5 多物理场模拟验证
COMSOL仿真揭示：使用C@Al-PET的电极在4C充电时电位分布差异仅5 mV，远低于Al-PET的11 mV，证实碳涂层可有效均化电流分布，避免电极边缘过充(utilization>100%区域减少83%)。

2.6 安全性能保持
在9.1 kg/610 mm的GB/T 18287标准冲击测试中，C@Al-PET电池完好通过考验，CT扫描显示PET基材通过塑性变形有效隔离电极短路，而传统铝集流体电池则发生热失控(温度骤升至447°C)。

这项研究颠覆了"集流体电导率决定快充性能"的传统认知，提出"界面接触主导"的新机制。其重要意义在于：1) 碳涂层工艺与现有卷对卷产线兼容，每平方米增重仅0.04 mg却实现性能飞跃；2) 首次通过实验与模拟结合阐明MPCC的"变形协调-电子传输-安全防护"多重耦合机制；3) 为破解高能量密度(使用6 μm PET时较铝箔减重65%)与高安全性不可兼得的行业困境提供普适性解决方案。随着OPPO、CATL等企业相关专利布局加速，这项界面工程技术有望引领下一代动力电池安全快充革命。