武漢理工大學物理與力學學院何大平教授和材料科學與工程學院麥立強教授科研團隊合作在高安全性鋰離子電池的研究上取得創新性突破，該工作提出一種可大規模制備的石墨烯集流體，能夠有效調節電池傳熱，顯著提高電池安全性。相關研究成果以題為“Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety”發表在最新一期《Nature Chemical Engineering》上。我校何大平教授、麥立強教授和深圳大學楊金龍副教授為論文的通訊作者，第一作者是來自物理與力學學院的博士后李倫。
安全問題已經成為高能量密度鋰離子電池實際應用的長期且關鍵的挑戰。鋰離子電池的安全是由于電池內部的散熱速度慢于熱量產生的速度，導致電池內部熱量集中，觸發一系列放熱反應，電池溫度不斷升高，最終引發熱失控。因此，控制電池內部熱量的產生和改善電池的傳熱對于消除電池熱失控問題至關重要。盡管現有的鋰離子電池制造商已經開發了完善的電池管理系統和電池配置來監測電池的熱環境和加速傳熱，但在改善電池內部傳熱和有效地消散局部積累的熱量方面仍然存在重大挑戰。傳統的金屬集流體如Cu和Al，其導熱性能較差，熱導率僅為200 ~ 400 W m-1 K-1。相比之下，具有強共價鍵和低原子質量的二維層狀石墨烯（Gr）材料在室溫下的熱導率高達600 ~ 5,300 W m-1 K-1，作為電池的集流體可以提供最為有效的傳熱路徑。然而，大規模生產的Gr薄膜由于存在大量缺陷和孔洞，導致其熱導率和機械強度不足，距離商業化還有較大的難度。因此，如何開發先進的策略來制備高導熱、高結晶、無缺陷和易于大規模生產的Gr集流體是未來高安全鋰離子電池發展的關鍵。
圖1 石墨烯集流體及軟包電池的大規模制備
基于此，該工作報告了一種快速溫度響應非金屬集流體，它可以替代基準鋁箔和銅箔，從而提高電池的安全性。這種非金屬CC是通過連續熱壓工藝制造的，從而獲得了百米級的高取向性石墨烯箔。這種Gr箔的熱導率高達1400.8 Wm-1K-1，比鋁箔和銅箔高出約一個數量級。重要的是，集成了這些溫度響應箔的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||石墨電池的散熱速度更快，消除了局部熱量集中，避免了快速放熱的鋁熱反應和氫化反應，而這些反應是導致鋰離子電池組熱失效傳播的關鍵因素。這種快速熱響應和輕質的石墨烯集流體的設計將確保鋰離子電池在安全范圍內以更高的輸出能量運行，并在極端惡劣的濫用條件下依舊保持安全。
核心內容：
1、采用大規模生產的方式制備出具有優異的導電性（1.3×106 S m-1）和導熱性（1400.8 W m-1 K-1）的Gr集流體，單次制備量可以達到100米以上。
2、采用Gr集流體的軟包電池有效減少了電池在快速充電/放電過程中熱量聚集的風險，實現了整體更低的溫度和更均勻的熱量分布。此外，Gr||Gr軟包電池能夠承受極端的針刺實驗而不會發生起火和爆炸，實現了本征高安全性。
3、首次提出了當前商業化鋰離子電池熱失控的機理，歸因于鋁箔中的鋁熱反應（2Al + 3NiO → Al2O3 + 3Ni）和氫氣生成反應（2Al + 6HF → 3H2↑ + 2AlF3），這兩種能量釋放型反應增強了熱失控過程中的燃燒和爆炸程度。
4、深入揭示了Gr||Gr軟包電池安全性提升的機理：Gr優異的高溫穩定性和快速的導熱性能，前者提供了Gr||Gr電池本征安全的前提，后者賦予了Gr||Gr電池自散熱的能力。
圖2 軟包電池在熱失控過程中的安全性能及機理分析
該研究針對當前電動車、電動汽車中鋰離子電池頻繁起火帶來的燃燒、爆炸等安全隱患，開發了一種具有超高電導率和熱導率的新型集流體Gr，以取代傳統電池中的Al箔和Cu箔，成功制備了一種具有快速散熱能力且在極端針刺下不起火的高安全性鋰離子電池。通過XRD、Raman、SEM、應力-應變曲線等測試系統地表征了Gr的微觀結構和物理化學性質，論證了其作為集流體的可行性。進而再通過產業線上參數調試和焊接技術的改進實現了軟包電池的批量化制備。利用一系列電化學測試研究了組裝的Gr||Gr軟包電池在能量密度和循環穩定性方面的優勢。最后結合一系列的熱實驗表征和理論模擬深入探討了Gr對電池安全性提升的機理。因此，該研究將為高安全和高能量密度鋰離子電池的設計提供新的理論見解，推動當前動力電池和大規模儲能系統的安全性創新。
【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.