功能性界面设计的超薄轻量化3D金属化集流体助力高能量密度锂硫电池

本文推荐一种创新策略：通过冷压聚丙烯熔喷织物结合聚合物辅助沉积工艺，开发具有功能性界面的超薄轻量化3D金属化集流体（Ag@PEI-PP/Ni@PEI-PP）。该设计解决了传统金属箔集流体在锂硫电池（LSBs）中的锂枝晶生长（dendrite）和多硫化物（Li2Sn）转化缓慢等问题，显著提升电池能量密度（586 Wh kg?1）和循环稳定性（99.88%容量保持率/循环），为电动汽车和便携电子设备提供高效能源解决方案。

　　

ABSTRACT

锂硫电池（LSBs）因其高理论能量密度（2600 Wh kg^?1）和硫资源丰富性成为下一代储能器件的研究热点。然而，传统铜箔/铝箔集流体的非亲锂性和电化学惰性导致锂枝晶随机生长和多硫化物转化动力学迟缓，同时其重量占比过高限制了实际能量密度。本研究提出一种革命性方案：通过冷压聚丙烯（PP）熔喷织物结合聚合物辅助沉积技术，构建超薄轻量化的3D金属化集流体（Ag@PEI-PP和Ni@PEI-PP）。银涂层集流体（Ag@PEI-PP）通过降低成核过电位（13.3 mV）实现锂金属均匀沉积（库伦效率99.88%），镍涂层集流体（Ni@PEI-PP）则加速多硫化物（Li₂S_4-8）向Li₂S的转化（单循环容量衰减率0.128%）。基于全电池测试，该设计实现586 Wh kg^?1的重量能量密度和472 Wh L^?1的体积能量密度。

1 Introduction

当前锂离子电池能量密度已接近理论极限，而LSBs面临锂枝晶、多硫化物穿梭效应和集流体重量三大挑战。传统3D集流体（如碳布、金属网格）虽缓解体积膨胀，但界面惰性和重量占比（30%-80%）仍制约性能。本研究通过分子级界面工程，在PP纤维表面锚定聚乙烯亚胺（PEI）功能层，进而沉积银/镍纳米颗粒（粒径500-650 nm），形成兼具机械柔性（拉伸应变2.7%）和导电性（1.0-3.0 Ω cm^?2）的轻量化集流体（2.5 mg cm^?2）。

2 Results and Discussion

材料表征：SEM显示冷压PP纤维厚度降至35 μm，XRD和XPS证实Ag/Ni成功负载（Ag 3d结合能368.5 eV，Ni 2p 865.2 eV）。3D多孔结构提供比表面积，而金属纳米颗粒增强界面反应活性。

阳极性能：Ag@PEI-PP使锂成核过电位（48.7 mV）显著低于铜箔（98.3 mV）。对称电池测试中，Ag@PEI-PP在2 mA cm^?2下稳定循环430小时，锂沉积形貌SEM显示无枝晶生成，而铜箔在同等条件下出现不规则锂凸起。

阴极机制：Ni@PEI-PP的CV曲线ΔV值降低，GITT测试显示Li⁺扩散系数（1.3×10^?10 cm² s^?1）优于铝箔（9.8×10^?11 cm² s^?1）。恒电位放电证实其Li₂S沉积容量（180.20 mAh g_sul^?1）是铝箔的3.4倍。

全电池表现：高硫负载（7.07 mg cm^?2）下，Ni@PEI-PP阴极初始面容量达6.44 mAh cm^?2，200次循环后容量保持率99.88%/循环。EIS分析揭示其电荷转移电阻（R_ct）始终低于传统集流体。

3 Conclusions

该研究通过界面功能化设计，同步解决LSBs的锂沉积均匀性和多硫化物转化动力学难题。金属化集流体的轻量化特性（较传统箔材减重80%）和3D结构协同提升电池能量密度，为钠/钾/锌金属电池等体系提供普适性技术路线。

4 Experimental Section

材料合成：PP织物经碱活化、PEI接枝后，依次浸渍钯催化剂和化学镀液（Ag浴含0.1 g AgNO₃/100 mL，Ni浴含2 g NiSO₄/100 mL）。硫阴极采用熔融扩散法制备硫碳复合材料（硫:Ketjen Black:Super P=4:1:1）。

测试方法：锂对称电池使用1 M LiTFSI/DOL-DME电解液，GITT采用0.1 C脉冲-弛豫模式，Li₂S成核测试在2.05 V恒电位下进行。所有电化学测试均在25°C手套箱中完成。