任伊賓，馬玉豪，馮麗娟

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110159；2.濰坊科技學(xué)院 化工與環(huán)境學(xué)院，山東 壽光262700)

鋰離子電池是通過(guò)充放電過(guò)程中鋰離子與電極材料的嵌入反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能自由轉(zhuǎn)化的一種可充電池，其具有能量密度高、電壓穩(wěn)定、無(wú)記憶效應(yīng)、壽命長(zhǎng)、自放電少等特點(diǎn)[1-2]，被大量應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能、通信等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)鋰電池的能量密度、快速充電等性能提出了更高的要求[3-4]。鋰電池的發(fā)展關(guān)鍵在于電極材料，目前鋰電池正極材料在高能量密度方面的開(kāi)發(fā)基本達(dá)到瓶頸，今后主要向安全穩(wěn)定的方向發(fā)展，而開(kāi)發(fā)高能量密度的負(fù)極材料成為近年來(lái)鋰電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

金屬基負(fù)極材料，如鋰(理論比容量3860mA·h/g)[5-6]、錫(理論比容量994mA·h/g)[7]、銻(理論比容量660mA·h/g)[8]等被認(rèn)為是高能量密度電池負(fù)極材料的發(fā)展方向。但在高能量密度電池應(yīng)用中金屬鋰與其它金屬負(fù)極材料仍存在鋰枝晶生長(zhǎng)、短路和界面反應(yīng)等問(wèn)題，從而造成循環(huán)性能差、安全風(fēng)險(xiǎn)高等不良后果[9]。諸多研究均驗(yàn)證了電極電流密度是影響電池充放電過(guò)程中鋰枝晶形成和生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[10-13]，低電極電流密度會(huì)抑制鋰枝晶的形核，并延緩其生長(zhǎng)速率[14]。采用高比表面積的多孔集流體[15-17]可以有效降低局部電流密度，抑制鋰枝晶的形成，同時(shí)為鋰枝晶提供足夠的擴(kuò)展空間，因此制備高性能的多孔集流體材料是促進(jìn)鋰電池快速發(fā)展的途徑之一。本文綜述多孔集流體的制備工藝及其對(duì)電池性能影響的研究現(xiàn)狀，并對(duì)集流體的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 多孔集流體制備

目前關(guān)于多孔集流體的制備及相關(guān)研究較多，多孔集流體的制備方法主要包括粉末燒結(jié)法[18-20]、脫合金法[21-24]、氫氣模板法[25-30]等。

1.1 粉末燒結(jié)法制備三維多孔集流體

粉末燒結(jié)法是制備多孔材料的主要方法之一。該方法制備的多孔材料具有孔隙分布窄、孔徑均勻、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)。

陳劍宇[18]采用高溫還原燒結(jié)得到的銅集流體具有3D分級(jí)孔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由圖1可以看出，孔徑范圍為0.1～5μm，具有較大的孔容和比表面積；相比于普通二維銅箔，其具有良好的浸潤(rùn)性、優(yōu)良的導(dǎo)電性，可望滿足金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定化要求。通過(guò)對(duì)金屬鋰沉積和溶解的研究，認(rèn)為具有過(guò)大孔徑的3D泡沫銅不適合作為鋰負(fù)極的集流體，相比之下，孔徑小于5μm的3D銅集流體作為金屬鋰負(fù)極載體，可以有效地提高鋰的沉積和溶解效率。

圖1 燒結(jié)法制備的多孔集流體孔結(jié)構(gòu)

楊歡等[19]以Cu6Sn5合金粉和銅粉為原料，通過(guò)機(jī)械合金化、粉末冶金及選擇性氧化還原等工藝過(guò)程制備了三維多孔Cu@SnO2復(fù)合電極，孔徑范圍在0.2～5μm；研究了升溫速率、銅粉含量和燒結(jié)溫度對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的影響；結(jié)果表明，最佳升溫速率為10℃/min，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)復(fù)合電極三維連續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)異、孔隙結(jié)構(gòu)均勻，并且活性物質(zhì)負(fù)載量較高，燒結(jié)溫度為600℃時(shí)3DP-Cu@SnO2復(fù)合電極形成穩(wěn)定的三維連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，且Cu-SnO2三維團(tuán)簇結(jié)構(gòu)完整。

王宜霄[20]以粒徑為1μm的銅粉和粘結(jié)劑及溶劑為原料，采用非溶劑致相分離法制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的三維雙連通多孔銅平板膜前驅(qū)體，通過(guò)固相燒結(jié)去除粘結(jié)劑后得到孔徑尺寸在2～4μm的三維雙連通多孔銅集流體；確定了三維多孔銅平板膜制備的最佳厚度為250μm，最佳燒結(jié)氧化溫度為600℃、還原溫度為600℃。

粉末燒結(jié)法雖然能制備出孔徑均勻、力學(xué)性能好的多孔集流體，但對(duì)粉末粒度和燒結(jié)溫度較難控制，很難實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。

1.2 脫合金法制備多孔集流體

脫合金法制備多孔集流體主要分為兩種：一種是化學(xué)脫合金，根據(jù)合金中金屬的電極電位差，采用化學(xué)試劑指向性地脫除電極電位較低的一種，使材料出現(xiàn)多孔樣貌；另一種是物理脫合金，由于金屬在不同溫度下的飽和蒸汽壓不同，合金材料在高溫且較低真空環(huán)境中，蒸汽壓較高的金屬在表面升華，在濃度差的作用下，合金材料內(nèi)部蒸汽壓較高的金屬成分向合金材料表面擴(kuò)散而升華，由此在材料內(nèi)部及表面形成連通的孔隙，得到多孔結(jié)構(gòu)材料[21-22]。

黨揚(yáng)揚(yáng)[23]將黃銅(Cu0.62Zn0.38)放置在H2SO4(濃度為120g/L)和ZnSO4(濃度為90g/L)的混合溶液中，形成銅鋅原電池，經(jīng)過(guò)15h的充分反應(yīng)，得到孔徑大小在2μm以下，且具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的多孔銅箔；相比于平板銅箔，多孔銅箔為鋰的沉積提供了更多的空間，其豐富的比表面積使得電流密度降低，鋰在其表面沉積更加均勻，有效提高鋰金屬電池容量的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性。

Yun Q B等[24]將黃銅(Cu0.64Zn0.36)放置在HCl和NH4Cl混合溶液中充分反應(yīng)，并通過(guò)控制脫合金時(shí)間，得到孔徑為0.2～2μm、分布均勻的多孔銅箔，其微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 化學(xué)脫合金法制備的多孔集流體孔結(jié)構(gòu)

由圖2可見(jiàn)，材料為中空多孔結(jié)構(gòu)，極大增加其內(nèi)表面積，使得電極電流密度降低，抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，緩解循環(huán)過(guò)程中鋰金屬體積的巨大變化。實(shí)驗(yàn)確定了最佳脫合金時(shí)間為12h，得到的多孔銅箔能有效限制鋰枝晶的生長(zhǎng)和促進(jìn)鋰金屬的均勻沉積。研究表明，具有100～400μm孔徑的泡沫銅的庫(kù)侖效率遠(yuǎn)低于化學(xué)脫合金制備的多孔集流體。

趙恒[31]以黃銅(H62)為原料，利用電化學(xué)脫合金法制備出孔徑分布均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、形貌均一的多孔銅。研究表明，恒電流制備多孔銅時(shí)，電流控制在50mA時(shí)孔徑更加均勻、結(jié)構(gòu)更加緊湊；恒電壓制備多孔銅時(shí)，電壓在0.6V腐蝕12.5h可獲得結(jié)構(gòu)緊湊、孔徑為1～3μm的多孔銅；在不同濃度HCl溶液中采用線性掃描循環(huán)伏安法制備多孔銅，最佳鹽酸溶液濃度為0.125mol/L，掃描電壓區(qū)間為-1～0.2V，掃描速度為1mV/s，循環(huán)35次。進(jìn)一步在制備的多孔銅表面鍍銀，提高其親鋰性；通過(guò)石墨烯沉積提高其能量密度；通過(guò)表面絕緣聚合物聚氧化乙烯(PEO)沉積阻止鋰在多孔集流體表面沉積，促進(jìn)鋰在多孔箔內(nèi)部沉積，提升電池的性能。

Zhang D等[32]以工業(yè)黃銅箔浸入HCl溶液中，在不同處理時(shí)間下制備三維多孔銅集流體；通過(guò)密度泛函理論計(jì)算鋰在銅鋅合金表面的吸附能，結(jié)果表明，隨著鋅含量的增加，銅鋅合金表面所需的吸附能減少，從而確定鋅的親鋰特性；同時(shí)在平板銅箔和多孔銅箔上沉積鋰，相同時(shí)間內(nèi)多孔銅箔表面鋰沉積更薄，表明多孔結(jié)構(gòu)可為鋰提供足夠的沉積空間；實(shí)驗(yàn)研究確定經(jīng)化學(xué)處理2h的3D集流體性能最佳。

Liu H等[33]在氬氣爐中制備出前驅(qū)體合金(Cu30Zn70)，將其切割成片狀，放入450℃連續(xù)高真空環(huán)境下(真空度10Pa)3h，經(jīng)無(wú)水乙醇清洗后，在H2/Ar混合氣體中，400℃下還原10h，得到孔徑在0.5～3.5μm的多孔銅集流體。該物理脫合金法制備的多孔集流體孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 物理脫合金法制備的多孔集流體孔結(jié)構(gòu)

由圖3可見(jiàn)，孔尺寸均一、分布均勻，且韌帶上分布著約200nm的孔洞，極大地增加集流體的比表面積，降低局部電流密度，延長(zhǎng)電池的壽命。

An Y L等[34]以厚度為20μm的商用黃銅(Cu75Zn25)為原料，在低于10Pa的真空條件、溫度400～900℃、不同脫合金時(shí)間下制備多孔銅箔。結(jié)果表明，鋅原子的升華與真空熱處理的溫度相關(guān)，在400℃下只有少量的鋅脫除，溫度達(dá)到500℃可得到純多孔銅，但600℃時(shí)因溫度過(guò)高導(dǎo)致脫除合金的孔洞熔融閉合，孔徑減小。通過(guò)改變溫度和時(shí)間調(diào)節(jié)多孔結(jié)構(gòu)，制備三維多孔集流體，有效緩解鋰金屬陽(yáng)極在循環(huán)過(guò)程中體積的急劇變化，形成更穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面層和電極結(jié)構(gòu)。

Zhang W Y等[35]用錫、鋅和鋁的粉末漿料涂覆在厚度為9μm的銅箔上，得到厚度為35μm的箔片，分別在180℃、300℃、500℃處理10h；由于不同金屬的擴(kuò)散速率不同產(chǎn)生柯肯達(dá)爾效應(yīng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散，在銅箔表面和內(nèi)部形成相互連接的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為0.1～2μm；用酸去除剩余漿料，制備得到Li@3D銅電極。研究表明，不同尺寸的孔洞接頭為鋰金屬形核提供了形核點(diǎn)位，有效減緩了鋰枝晶的生長(zhǎng)。

盡管脫合金法制備的多孔銅箔在形狀、大小等方面有很好的效果，但該制備方法工藝復(fù)雜且孔的尺寸不可控，孔結(jié)構(gòu)也相對(duì)單一。

1.3 氫氣模板法制備多孔集流體

金屬在電化學(xué)沉積過(guò)程中，陰極會(huì)有細(xì)小的氫氣泡析出，將其作為動(dòng)態(tài)模板，氫氣泡在金屬表面聚集形成氣孔，金屬離子只能在氣泡模板間的空隙中沉積，因此產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)[25]。利用該原理制備多孔金屬的方法稱為氫氣模板法。

文獻(xiàn)[26-27]中利用氫氣動(dòng)態(tài)模板法制備多孔銅箔，經(jīng)熱處理穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)，以多孔銅為基體，電沉積制備出Cu6Sn5合金負(fù)極；研究表明，多孔結(jié)構(gòu)明顯緩解Cu6Sn5合金在使用過(guò)程中的體積變化，循環(huán)性能得到改善；進(jìn)一步在多孔銅上電沉積錫鈷合金，得到CoSn3合金電極，相比于普通銅箔，錫鈷合金在多孔銅上的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，充放電容量得到較大提升。

譚凱[28]利用氫氣動(dòng)態(tài)模板法，通過(guò)控制電沉積時(shí)間、電流密度和電解液濃度、添加劑種類(lèi)等制備了孔徑在10～80μm范圍內(nèi)可調(diào)、厚度在20～100μm范圍內(nèi)可控的多孔銅，其孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，孔尺寸均一，分布均勻，孔隙率較高。其研究表明，相較于電沉積金屬錫，化學(xué)鍍錫能使顆粒細(xì)化，充分利用多孔集流體的內(nèi)部空間，達(dá)到更高的循環(huán)性能，緩沖錫在使用過(guò)程中的體積變化。

圖4 氫氣模板法制備的多孔集流體孔結(jié)構(gòu)

崔程[29]通過(guò)控制變量法得到電沉積液中H2SO4濃度、CuSO4濃度和電流密度等因素及添加Br-和聚乙二醇(PEG)對(duì)三維多孔銅箔孔徑與厚度的影響規(guī)律，確定了最佳制備工藝；研究表明，隨著CuSO4濃度增加，多孔銅箔的孔徑尺寸也會(huì)隨之增加，沉積層厚度隨之增厚；電流密度變大，對(duì)多孔銅箔孔徑尺寸影響不大，但會(huì)增加沉積層厚度；沉積時(shí)間增加，孔徑增大，沉積層厚度增加。

Qiu H L等[30]通過(guò)優(yōu)化電鍍液的濃度、電鍍時(shí)間和表面活性劑的添加量制備多孔集流體，其孔徑大小為24～80μm，平均厚度為95μm；相比普通銅箔，多孔銅箔更有利于金屬鋰的均勻沉積，抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，提高電池循環(huán)穩(wěn)定性。

氫氣模板法雖然可通過(guò)控制工藝參數(shù)及添加劑調(diào)整孔徑尺寸和厚度，但由于制備時(shí)電流密度較大，材料的機(jī)械性能較差，需要進(jìn)一步熱處理來(lái)穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)。

2 多孔集流體對(duì)鋰電池性能的影響

2.1 提升電池的電化學(xué)性能

相比于傳統(tǒng)商用的電解銅箔，多孔集流體具有超高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，諸多研究表明該結(jié)構(gòu)可以明顯提升電池的能量密度及倍率等性能，并且大大減小電池極化，延長(zhǎng)其循環(huán)壽命。

陳劍宇[18]采用高溫還原燒結(jié)法得到3D-Cu集流體，相比于2D-Cu集流體，其擁有更小的過(guò)電勢(shì)，使電流分布更加均勻，同時(shí)可提供豐富的形核點(diǎn)位，有利于鋰金屬沉積；在倍率性能測(cè)試中，采用3D-Cu集流體的全電池在2.0C和3.0C倍率下的放電比容量分別為141mA·h/g和133mA·h/g；采用2D-Cu集流體的全電池在2.0C和3.0C倍率下的放電比容量?jī)H為40mA·h/g和16mA·h/g；在5.0C和10.0C高倍率下，使用3D-Cu集流體的電池比容量仍可達(dá)到118mA·h/g和90mA·h/g的放電比容量，而應(yīng)用2D-Cu集流體電池的放電比容量則趨近于0。研究表明多孔集流體在高電流密度下能提高電池的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。

楊歡等[19]采用粉末冶金及選擇性氧化還原工藝制備三維多孔Cu@SnO2復(fù)合電極，其中3DP-Cu@SnO2電極在電流密度為100mA/g時(shí)測(cè)得比容量為715mA·h/g，循環(huán)50次后仍保持60.7%的比容量，并且在600mA/g大電流密度下，仍有76%比容量保持率；具有二級(jí)孔結(jié)構(gòu)的3 DHP-Cu@SnO2電極電流密度為100mA/g時(shí)測(cè)得比容量為1063.8mA·h/g，循環(huán)60次后仍保持77.4%的比容量，并且在800mA/g大電流密度下，仍有60%比容量保持率。

黨揚(yáng)揚(yáng)[23]采用脫合金法制備出具有較高機(jī)械強(qiáng)度的多孔Cu/Li電極，相比于Cu/Li電極，其具有更高的初始庫(kù)侖效率，在一定程度上提升容量的可逆性。在電流密度為0.5mA/cm2時(shí)，多孔Cu/Li電極在循環(huán)210次的庫(kù)侖效率仍為96%，循環(huán)240次后才緩慢下降到90%；而Cu/Li電極循環(huán)90次的庫(kù)侖效率保持在95%以上，循環(huán)150次后下降到80%以下。研究證明多孔Cu/Li電極具有更高的循環(huán)穩(wěn)定性。

Yun Q B等[24]采用化學(xué)脫合金法制備具有三維連通孔結(jié)構(gòu)的銅集流體，相比于2D-Cu循環(huán)300次后容量保持率僅為58.2%，3D-Cu的容量保持率為89.7%，3D-Cu在鋰沉積量為1mA·h/cm2、電流密度為0.5mA/cm2條件下，循環(huán)250次的庫(kù)侖效率仍保持在97%以上，壽命長(zhǎng)達(dá)1000h，同樣條件下2D-Cu僅循環(huán)100次后庫(kù)侖效率即開(kāi)始不穩(wěn)定，循環(huán)210次的庫(kù)侖效率下降到90%以下；當(dāng)電流密度為1mA/cm2時(shí)，3D-Cu循環(huán)140次的庫(kù)侖效率仍保持在97%以上，同樣條件下，2D-Cu循環(huán)140次后的庫(kù)侖效率下降到85%以下；3D-Cu的循環(huán)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于2D-Cu。

趙恒[31]利用電化學(xué)脫合金法通過(guò)控制電流、電壓大小和HCl濃度等制備出孔徑均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度優(yōu)良的Li@3DCu復(fù)合電極，相比于Li@2DCu負(fù)極在使用過(guò)程中體積膨脹過(guò)大的情況，Li@3D Cu復(fù)合電極擁有更優(yōu)良的循環(huán)性能和倍率性能，其對(duì)稱電池能穩(wěn)定使用400h。在Li@Cu‖LiFePO4全電池測(cè)試中，在1C下循環(huán)350次，Li@3DCu‖LiFePO4的比容量為127.5mA·h/g，Li@2DCu‖LiFePO4的容量密度為119.9mA·h/g；當(dāng)倍率達(dá)到20C時(shí)，Li@3DCu‖LiFePO4的比容量為70mA·h/g，而Li@2DCu‖LiFePO4的比容量?jī)H為15mA·h/g；多孔集流體倍率性能更好。

An Y L等[34]利用真空物理脫合金法制備出多孔銅集流體，在鋰沉積量為0.26mA·h/cm2、電流密度0.52mA/cm2下，2D和3D銅集流體的初始庫(kù)侖效率分別為80%和81%，3D銅集流體的多孔結(jié)構(gòu)并不影響初始的可逆容量，且3D銅集流體的庫(kù)侖效率具有良好的穩(wěn)定性，在120次循環(huán)中保持穩(wěn)定，而2D銅集流體循環(huán)30次后變得不穩(wěn)定，循環(huán)60次后平均庫(kù)侖效率變得很低。

Zhang W Y等[35]采用真空脫合金法制備多孔銅集流體，其電極面積增加，電流密度大大減小，使得金屬鋰與電解液之間的副反應(yīng)受到抑制，循環(huán)400次后，多孔集流體電池的容量仍能保持60%，庫(kù)侖效率明顯提升，壽命可達(dá)2000h。

Fan X Y等[26]利用氫氣動(dòng)態(tài)模板法制備多孔銅箔，在其上電沉積錫鈷合金，制備出CoSn3合金負(fù)極，多孔銅集流體上的錫鈷合金負(fù)極比普通銅箔上的錫鈷合金負(fù)極具有更大的容量和穩(wěn)定的循環(huán)性能，應(yīng)用多孔集流體的CoSn3合金負(fù)極首次放電和充電容量分別為726mA·h/g和563mA·h/g，循環(huán)50次后容量仍能保持71%，為同條件下普通銅箔的3倍以上。

不同多孔銅集流體的電化學(xué)性能如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，多孔集流體利用其多孔結(jié)構(gòu)，容納負(fù)極材料，極大地豐富了電極的比表面積，有效降低局部電流密度，調(diào)節(jié)電場(chǎng)分布。相比于平板集流體，其可保持容量的可逆性，提高庫(kù)侖效率和循環(huán)性能的穩(wěn)定性，特別是在高倍率下循環(huán)，也可使電池?fù)碛休^高的可逆容量和穩(wěn)定的庫(kù)侖效率。

表1 不同多孔銅集流體的電化學(xué)性能

2.2 緩解電池負(fù)極材料的粉化

鋰離子電池使用時(shí)，負(fù)極材料在嵌入鋰離子過(guò)程中發(fā)生相變，不同相同時(shí)存在產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力周期性變化引發(fā)的應(yīng)變可使材料內(nèi)部壓力變化，引起負(fù)極結(jié)構(gòu)破壞[36]或?qū)е码姌O材料粉化[37-38]，造成電池性能快速下降。

陳劍宇[18]采用高溫還原燒結(jié)得到3D多孔銅集流體，相比于2D銅集流體，其通過(guò)調(diào)整粒子間距以容納更多的鋰，緩沖其在充放電過(guò)程中引起的體積膨脹，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)力得到有效釋放。文獻(xiàn)[39-42]研究了Ni3Sn2負(fù)極材料在多孔鎳上的應(yīng)變力，對(duì)比平板集流體，多孔集流體在保證電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性的同時(shí)，明顯降低電極的應(yīng)變力。文獻(xiàn)[26-27]中制備得到的多孔集流體有效抑制了金屬基負(fù)極(Cu6Sn5、CoSn3)材料的體積膨脹，其多孔結(jié)構(gòu)為體積膨脹提供足夠的空間，釋放內(nèi)應(yīng)力，防止金屬基材料的粉化。文獻(xiàn)[24]的研究表明，在普通銅箔和多孔銅箔上沉積鋰，當(dāng)鋰化容量達(dá)到2mA·h/cm3時(shí)，普通集流體膨脹率為330%，而多孔集流體膨脹率僅為153%，且普通集流體鋰金屬表面更加粗糙。

多孔集流體相比于傳統(tǒng)集流體，其多孔的結(jié)構(gòu)不僅能夠容納更多的活性材料，并且能夠在活性材料嵌鋰過(guò)程中有效釋放應(yīng)力，緩解活性材料的體積膨脹效應(yīng)，很大程度上緩解電池運(yùn)行過(guò)程中電極材料粉化。

2.3 提高電池的安全性

多孔集流體的多孔結(jié)構(gòu)為負(fù)極材料在其上沉積提供空間，并且由于電流密度的減小，有效抑制鋰金屬電池中鋰枝晶的生成，大大降低電池使用過(guò)程中由于鋰枝晶急劇生長(zhǎng)而刺透隔膜，與電池正極相接，導(dǎo)致電池短路而引起事故的風(fēng)險(xiǎn)[11-13]。

普通集流體和多孔集流體的鋰枝晶生長(zhǎng)示意圖如圖5所示。圖5a表示鋰枝晶在普通集流體表面形核長(zhǎng)大并刺破固體電解質(zhì)界面(Solid Electrolyte Interphase，SEI)層的過(guò)程；圖5b表示鋰枝晶在多孔集流體內(nèi)部的形核過(guò)程，可見(jiàn)集流體表面形成穩(wěn)定的SEI膜。

圖5 不同集流體中鋰枝晶形核生長(zhǎng)示意圖

黨揚(yáng)揚(yáng)[23]采用化學(xué)脫合金法制備出具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的多孔Cu/Li電極；Cu/Li電極經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后表面存在大量樹(shù)枝狀鋰和苔蘚狀鋰，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)松散，且表面有不均勻的鋰枝晶；多孔Cu/Li電極表面更為光滑，內(nèi)部大量中空的孔洞被鋰填充，促進(jìn)鋰的均勻沉積和抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。

文獻(xiàn)[33-34]采用化學(xué)脫合金法制備出具有較高機(jī)械強(qiáng)度的多孔銅集流體，其表面和內(nèi)部的凸起為鋰提供形核點(diǎn)位，有效降低成核過(guò)電勢(shì)，同時(shí)中空的多孔骨架為鋰枝晶的生長(zhǎng)提供了空間，并且一定程度上抑制鋰枝晶的生成，提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

多孔集流體因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使電極表面形成穩(wěn)定的SEI膜，確保電池使用的穩(wěn)定和安全。

3 多孔集流體的發(fā)展趨勢(shì)與展望

多孔集流體在提升鋰離子電池的高能量密度和循環(huán)性能等方面展現(xiàn)了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。盡管多孔集流體能夠有效地降低極片上的局部電流密度，抑制鋰枝晶的生成，但由于材料無(wú)親鋰特性，孔內(nèi)存在過(guò)高的形核電位，導(dǎo)致金屬鋰大多沉積在多孔集流體表面，其內(nèi)部巨大的中空結(jié)構(gòu)沒(méi)有利用。因此，可以利用親鋰材料(如Au，ZnO和MnO2等)或者薄膜對(duì)多孔基體進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)鋰的均勻成核生長(zhǎng)。另外，還可以利用多孔集流體中殘留的親鋰合金元素來(lái)誘導(dǎo)鋰均勻沉積并穩(wěn)定鋰枝晶的生長(zhǎng)，在制備多孔銅箔過(guò)程中將親鋰點(diǎn)位留在孔內(nèi)，提高孔洞的利用率。總之，從不同的角度提出新方法去研究和開(kāi)發(fā)多孔集流體材料，通過(guò)更高效、環(huán)保、安全的方式制備更輕、更薄、導(dǎo)電性更好的多孔集流體，對(duì)提升鋰離子電池的綜合性能有重要意義，有效促進(jìn)高性能鋰電池的應(yīng)用。