【Nature Chemical Engineering】大规模制备的石墨烯集流体可有效调节电池传热，显著提高电池安全性

研究背景

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。

成果简介

本论文提出了一种可大规模制备且具有快速热响应的非金属石墨烯集流体，替代传统的金属集流体，有效调节传热并显著提升电池的安全性。本文的石墨烯箔材具有超高的导热系数，高达1400.8 W m^-1 K^-1，比Al和Cu箔高出约一个数量级。采用NCM811||石墨电极材料组装的软包电池具有更快的散热性能，能够有效消除电池内部的局部热集中，避免了快速放热的铝热反应和氢气析出反应，这些反应是导致铝集流体电池组热失控传播的关键因素。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。

文章要点

要点一

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。

要点二

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。

要点三

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。

要点四

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。

图文导读

图1 石墨烯箔的大规模制备。

图2 石墨烯箔的物理特性。

图3 软包电池的电化学性能和热安全性能。

图4 软包电池在热失控过程中的安全性能及机理分析。

总结与展望

本章节针对当前电动车、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。

文章详情

Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety

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*

https://doi.org/10.1038/s44286-024-00103-8

通讯作者简介

杨金龙，深圳大学副教授，博导，深圳市海外高层次人才，广东省杰出青年基金获得者，中国化学会和材料研究学会成员。2014年博士毕业于武汉理工大学材料物理与化学专业，先后在北京大学和美国斯坦福大学从事博士后研究，2020年回国加入深圳大学材料学院，研究方向为复合纳米材料与新能源转化&存储技术。主持国家自然科学基金、广东省科技计划项目等10余项科研课题，申获中国发明专利10余项，美国发明专利1项。独立工作以来以通讯和第一作者发表SCI论文30余篇，包括Nature Chemical Engineering (1篇), eScience (1篇), PNAS (1篇), Nature Communications (2篇), Advanced Materials (3篇), JACS (2篇), Angewandte (3篇), Advanced Energy Materials (3篇)等。SCI期刊引用5000余次，H-index为41，EIS高被引论文10篇，热点论文2篇，单篇最高引用425次，大于100次引用的论文16篇。长期担任Advanced Materials和ACS Nano等10余本高品质学术期刊审稿人和仲裁专家；现担任eScience, 中国化学快报(Chinese Chemical Letters), Advanced Powder Materials, EcoMat等期刊青年编委。

麦立强，武汉理工大学首席教授，博导，副校长，国家杰青（2014），长江学者（2016），“万人计划”领军人才（2016），国家重点研发计划首席科学家，英国皇家化学会会士（2018），中国微米纳米技术学会会士（2022），中国化学会会士（2023）。材料化学与功能材料领域知名专家，长期从事新能源材料与器件科学技术及应用研究，构筑了国际上第一个单根纳米线器件电子/离子输运原位表征的普适新模型，建立了调控电化学反应动力学的“麦-晏”场效应储能等电子/离子双连续输运理论，突破了储能材料与器件的批量化制备技术，并实现成果转化与应用。在Nature（3篇）、Science（1篇）等刊物发表SCI论文610余篇，其中以第一或通讯作者发表Nature 2篇、Nature子刊及Cell子刊24篇，SCI他引1000次以上1篇、800次以上5篇、400次以上20篇，高被引论文117篇，热点论文26篇，SCI总他引5.6万余次，撰写中文专著2部、英文专著2部、英文专著章节2部，参编《中国材料科学2035发展战略》1部。获授权国家发明专利148项，其中28项专利与华为等31家企业进行产学研成果转化与应用。主持国家重大科研仪器专项等国家级项目30余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖（每年仅2人）、国际车用锂电池协会卓越研究奖、国家教学成果二等奖、教育部/湖北省自然科学一等奖（3项）和中国材料研究学会技术发明一等奖，连续五年入选科睿唯安全球高被引科学家。

何大平，武汉理工大学教授，入选国家高层次人才计划，理学院副院长。先后在中国科学技术大学、英国巴斯大学、剑桥大学从事博士后研究工作，现任湖北省射频微波应用工程中心主任、湖北省宏观石墨烯专业型研究所所长。主要研究方向为宏观石墨烯膜材的调控与制备、及其在电子器件、新能源等领域的应用。先后承担科技部重点研发计划专项课题、国家自然科学基金等项目10余项。目前已在PNAS, Nature Communication, Advanced Materials等国际期刊上发表学术论文100余篇，授权国家发明专利20余项。担任国际重要期刊（国际Q1区）《National Science Review》学科编辑，《Interdisciplinary Materials》编委。个人获“英国皇家学会牛顿学者”、湖北省“高层次人才计划”（创业领军）等荣誉；2023年带领团队获全国“工人先锋号”荣誉。实现多项成果转化。2019年创立汉烯科技有限公司，目前基于石墨烯的产品已经应用于航空航天，3C电子，能源信息等多个领域。