哈工大解晶莹教授等AM：从金属到聚合物：集流体的材料演变与功能突破

摘要：在电池体系中，集流体虽为辅助部件，却肩负着支撑电极活性材料与传输电子的重任，其性能对电池欧姆内阻、极化电压、能量转换效率等关键指标有着深远影响。自1991年锂离子电池商业化以来，以铜、铝为代表的金属集流体长期占据主导地位。然而，随着锂离子电池向高比能量、高安全

在电池体系中，集流体虽为辅助部件，却肩负着支撑电极活性材料与传输电子的重任，其性能对电池欧姆内阻、极化电压、能量转换效率等关键指标有着深远影响。自1991年锂离子电池商业化以来，以铜、铝为代表的金属集流体长期占据主导地位。然而，随着锂离子电池向高比能量、高安全性和智能化方向发展，金属集流体的局限性逐渐凸显。针对这一技术挑战，哈尔滨工业大学解晶莹教授、上海空间电源研究所罗英副研究员和西安交通大学孙宝玉博士后开展深入研究，相关综述文章《From Metals to Polymers: Material Evolution and Functional Advancements in Current Collectors》发表于《Advanced Materials》，系统梳理了集流体的材料演变与功能进步。

1. 集流体的核心特征与分类

如图1所示，一种材料要成为集流体，需满足导电性、机械性能与电化学稳定性等核心性能要求，同时兼顾成本控制。基于近年来的研究进展，集流体可分为金属集流体、碳质集流体、导电聚合物集流体和有机-无机杂化集流体四大类。其中，碳质基底通过表面工程可显著增强电极附着力。导电聚合物具备生物相容性，拓展了电池在医疗领域的应用。有机-无机杂化集流体则实现了多维传感、添加剂封装、形状记忆与智能响应等新功能，为集流体的未来发展开辟了新路径。

图1 集流体的基本特征。

2. 集流体的材料与发展

2.1 金属集流体：辉煌与挑战并存

金属集流体在电化学领域长期占据主流地位，其优势体系包含（1 ）极为出色的导电性。铜和铝的导电率高达～107S m-1，仅次于昂贵的金和银。（2 ）卓越的机械性能。例如厚度低于10 μm的商用铜集流体，抗拉强度超380 MPa，断裂伸长率≥0.8%；厚度小于13 μm的商用铝箔，抗拉强度达185 MPa，断裂伸长率≥2%，展现出良好的韧性与延展性。（3）相对低廉的成本。铜、铝储量丰富，电池级铝箔和铜箔的价格分别约为5 $ kg-1和12 $ kg-1。除铜、铝外，泡沫镍、钛箔、不锈钢集流体也在特定场景中得到应用。但经过30 多年的应用，金属集流体的弊端逐渐显现。其一，铜（8.90 g cm-3）和铝（2.7 g cm-3）的高体积密度增加了电池中非活性材料质量，限制了能量密度提升。图2(a)表明，截止2021年，铜（6 μm）和铝（10 μm）集流体在电池中质量占比分别达6.4%和3.0%。其二，金属在电解液中易受腐蚀，如以TFSI-233，引发集流体点蚀穿透甚至电池失效（图2(b)）。其三，电极裁剪过程中产生的金属毛刺，易造成电池内部短路，引发自放电甚至安全事故。因此，寻找更优替代品成为高比能电池集流体发展的关键。

图2 (a)金属集流体的厚度趋势；(b)Al箔腐蚀机理和(c)不同材质金属集流体的基本性能对比。

2.2 碳质集流体：轻量化集流体的新希望

碳质集流体相较于金属箔具有显著优势。碳材料体积密度仅为0.18-0.74 g cm-3，比金属低一个数量级，大幅降低集流体质量分数，提升电池能量密度。机械性能卓越，碳纳米管和石墨烯的杨氏模量约1065MPa，能承受多次折叠不变形，是柔性电池的理想选择。电化学性能方面，碳材料粗糙质地与活性材料连接牢固，交织微观结构形成高效电荷转移网络，且化学稳定性好，可抵御亚胺基锂盐腐蚀。基于这些特性，碳纸、碳布、碳泡沫等多种碳质材料被应用于柔性锂离子电池集流体。不过，碳质集流体从实验室走向大规模生产面临诸多挑战。其电导率相对较低，多数宏观碳质材料电导率在105Sm-1左右；成本较高，碳布价格在50-70 $ m-2，碳纸更是高达500 $ m-2；此外，基于碳质集流体电极的极耳焊接较为困难。有研究人员通过两步法碳化聚合物薄膜制备高导电性石墨集流体以降低成本。同时，碳质集流体在厚电极领域的应用潜力正在探索，多孔碳电极优异的循环稳定性和工作寿命证明了这一方向的可行性。

2.3 导电聚合物集流体：突破传统电池应用场景的新选择

随着智能电池发展，储能与功能应用整合成为重要趋势，透明电池、纳米电子学和生物电子学等新兴领域对集流体提出更高要求。以PEDOT：PSS（聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸）和PPy（聚吡咯）为代表的导电聚合物凭借出色的电化学性能、高透明度、优异伸展性和生物兼容性，成为智能设备集流体的理想材料（图3(a-b)）。图3(c)制备的Ag/PEDOT:PSS集流体，在400-800纳米光谱范围内光学透明度超73%，实现电池能量状态实时可视化监控；图3(e)将PEDOT:PSS墨水喷墨打印和电聚合制成双层聚合物透明电极；图3(f)显示PPy沉积在PDMS（聚二甲基硅氧烷）基底上制成的微电极阵列，可实现生物系统与体外的有效信号交流，凸显了柔性聚合物导体在生物电子学领域的重要性。

图3 (a)绝缘体、半导体、导体的能带结构演变示意图，(b)具有代表性的导电聚合物的合成和化学结构示例。(c-d)Ag/PEDOT:PSS混合薄膜的示意图和SEM图像。(e)喷墨打印电极。(f)PPy电极阵列的数码照片，以及其传输的正常大鼠和癫痫大鼠的皮层电信号图。

导电聚合物集流体也存在明显短板。其电子导电性不及铜箔和铝箔；与封装基底有限的界面粘附力影响电极制造和电池集成；成本过高，如PPy成本约10 $ g-1，限制了其在传统储能和大规模工业领域的应用。不过，在生物医学和人工智能等对功能需求优先于大规模生产的领域，导电聚合物集流体展现出独特优势。

2.4 有机-无机杂化集流体：多元功能化集流体的探索

鉴于导电聚合物集流体的高成本，以传统非导电聚合物为基体的有机-无机杂化集流体受到关注。这种集流体具有低体积密度、高安全性、良好电化学稳定性和强大机械性能，还具备功能设计优势。其制造方法主要有两种：一是将导电剂分散在绝缘聚合物基体中，通过溶液浇铸、热压等多种方法制备的聚合/导电杂化集流体；二是在绝缘聚合物薄膜上涂覆超薄金属层形成多层杂化集流体，针对不同聚合物薄膜的形态，可进一步细化为“三明治”集流体（金属-聚合物-金属）和三维多孔集流体。聚合/导电杂化集流体成本低廉，导电性与碳材料接近。多层杂化集流体导电性与金属集流体一致，是目前工业化发展的主流趋势。

图4 有机-无机杂化集流体的制备示意图。

然而，新兴的有机-无机杂化集流体正面临着诸多挑战。聚合/导电杂化集流体，掺杂金属填料易团聚，增加集流体自重并导致聚合物基体脆化；轻质的碳基导电填料导电性不足；对于多层杂化集流体，存在标签焊接困难、成本高和界面稳定性差等问题。目前，有机-无机杂化集流体的应用仍处于探索阶段，与现有电池制造工艺兼容性差、生产成本高、界面强度不足等挑战亟待解决。

3. 集流体发展新趋势

下一代储能电池的发展需要集流体在多方面实现突破。例如，在结构设计上，满足异形电池、纤维电池的个性化定制需求；安全性方面，借鉴温度开关隔膜原理，开发智能热响应集流体，在热失控早期切断电子传输；智能化方向，集成传感器和微电子元件，实现电池工作参数原位非破坏性采集，可提升电池管理系统的数据可靠性。从金属到聚合物，集流体的材料演变和功能进步见证了电池技术的不断革新。每一类材料都有其独特优势与固有的局限，具有各自的适配体系与应用场景。未来集流体的发展将朝着高比能量、高安全性、功能化与智能响应的方向持续迈进。