表面稳定化轻质金属化PET织物赋能高能量密度柔性锂离子电池

本文系统研究了金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯织物（MPETs）在柔性锂离子电池（FLBs）中作为集流体的应用挑战与创新解决方案。针对阳极侧铜涂层PET（CuPET）存在的电解质渗透导致PET降解问题，开发了电镀修复技术（ECuPET）；针对阴极侧镍涂层PET（NiPET）高压不稳定性（＞4.0 V vs Li/Li+），创新性引入磷合金化策略（NiPPET）。改性后的MPETs集流体重量减轻72%（阴极）和35.7%（阳极），使电池能量密度提升20%，并在1 mm弯曲半径下经受1500次循环仍保持78.4%容量，为新一代柔性电子设备提供了兼具高能量密度和机械稳定性的电源解决方案。

　　

增强阳极稳定性：电镀修复CuPET（ECuPET）的创新策略

当前柔性锂离子电池的发展受限于传统金属箔集流体的重量和刚性。金属化聚乙烯 terephthalate 织物（MPETs）因其轻质、低成本和优异柔性成为理想替代品，但其在电池工作条件下的化学和电化学稳定性尚未得到充分研究。通过聚合物辅助金属沉积（PAMD）技术制备的CuPET存在铜颗粒堆叠导致的涂层裂缝，这些裂缝使PET基底暴露于电解质中，引发副反应。研究发现，PET的酯基在低电位下会发生还原反应，生成对苯二甲酸（TPA）和 dimethyl terephthalate（DMT）等羧酸衍生物，导致电池性能衰减。

为解决这一问题，研究团队开发了电镀修复方法（ECuPET），通过电沉积在CuPET表面形成致密无裂缝的铜保护层。电化学测试表明，ECuPET/Gr（石墨）电极的库仑效率与传统铜箔集流体相当，而未经处理的CuPET/Gr则表现较差。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实，ECuPET在500次充放电循环后仍保持化学结构稳定，而CuPET的C═O峰（1710 cm^?1）显著减弱甚至消失。循环伏安（CV）和高效液相色谱（HPLC）测试进一步揭示了PET降解的多阶段反应机制，而ECuPET通过阻断Li⁺渗透有效抑制了这些副反应。最终，ECuPET/Gr在0.1C下的全电极容量达到185 mAh g^?1，几乎是铜箔集流体（109 mAh g^?1）的两倍，且能在10,000次弯曲循环后保持涂层完整性。

提升阴极稳定性：磷掺杂NiPET（NiPPET）的高压突破

阴极集流体需要在高电压下（＞4.2 V vs Li/Li⁺）保持稳定，但纯镍涂层的NiPET在4.0 V即开始氧化，无法满足锂钴氧化物（LCO）和镍钴锰酸锂（NCM）等高压正极材料的需求。通过向PAMD镀镍过程中引入磷，成功在PET纤维表面形成镍磷合金（Ni/P）涂层（NiPPET）。线性扫描伏安（LSV）测试显示，NiPPET的起始氧化电位提高至4.7 V，远高于NiPET的4.0 V。循环伏安（CV）在3–4.5 V范围内验证了其长期电化学稳定性。

实际性能评估中，NiPPET/NCM电极展现出与传统铝箔集流体相当的倍率性能和循环稳定性：在1C下容量为174 mAh g^?1（0.1C容量的86.5%），200次循环后容量保持率达92.5%。X射线光电子能谱（XPS）证实，NiPPET在循环后镍相关峰强度保持稳定，而NiPET则显著衰减。这种合金化策略为高压柔性锂电池的阴极集流体提供了可靠解决方案。

MPETs在柔性锂电池中的协同性能提升

ECuPET和NiPPET的综合性能显著优于其他报道的柔性集流体。ECuPET的面电阻低至0.06 Ω cm^?2，NiPPET为0.8 Ω cm^?2；面密度分别为2.1 mg cm^?2和2.7 mg cm^?2，较铜箔（7.5 mg cm^?2）和铝箔（4.2 mg cm^?2）大幅降低。力学性能方面，MPETs的极限抗拉强度≈145 MPa，断裂伸长率≈30%，优于金属箔的刚性易疲劳特性。弯曲循环测试中，两者电阻变化均小于5%，证明金属层与基底的牢固结合。

将ECuPET/Gr（N/P比≈1.1）与NiPPET/NCM组装成全电池后，展现出90.6%的200次循环容量保持率，能量密度达220 Wh kg^?1，较金属箔电池提升20%。柔性测试中，电池在5 mm、2 mm和1 mm弯曲半径下分别经历1000次和1500次弯曲后，容量保持率分别为88.4%和78.4%。电化学阻抗谱（EIS）显示弯曲后界面电阻（R_inter）和电荷转移电阻（R_ct）仅有轻微增加。原位同步充放电弯曲测试进一步证明，电池在7 mm、5 mm和3 mm弯曲半径下分别提供1.76 mAh cm^?2、1.66 mAh cm^?2和1.50 mAh cm^?2的容量，与平坦状态的1.73 mAh cm^?2相当，且充放电曲线波动极小。

结论与展望

表面稳定化MPETs通过电镀修复和磷合金化策略，成功解决了金属化织物在电池环境中的化学与电化学不稳定问题。ECuPET和NiPPET不仅扩展了电化学窗口至4.7 V以上，还显著降低了集流体重量，提升电池能量密度20%。其优异的机械柔性（1 mm弯曲半径下1500次循环仍保持78.4%容量）和同步充放电弯曲稳定性，为柔性可穿戴电子设备提供了高性能电源解决方案。这项研究标志着柔性锂电池向高能量密度和机械鲁棒性迈出了关键一步，具有重要的产业应用前景。