在此，武汉理工大学何大平教授、麦立强教授与深圳大学杨金龙教授报告了一种快速温度响应非金属集流体，它可以替代基准铝箔和铜箔，从而提高电池的安全性。这种非金属CC是通过连续热压工艺制造的，从而获得了百米级的高取向性石墨烯 (Gr)箔。这种Gr箔的热导率高达1400.8 Wm-1K-1，比铝箔和铜箔高出约一个数量级。重要的是，集成了这些温度响应箔的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||石墨电池的散热速度更快，消除了局部热量集中，避免了快速放热的铝热反应和氢化反应，而这些反应是导致锂离子电池组热失效传播的关键因素。相关研究成果以题为“Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety”发表在最新一期《Nature Chemical Engineering》上。
【Gr 箔的大规模制造】
本文概述了设计和实施Gr箔作为锂离子电池(LIB)集流体(CC)的综合策略。这种方法利用石墨烯的独特性质来增强LIB的性能、安全性和可扩展性。Gr箔的制造过程：该过程从GO浆料开始，将其浇铸并干燥以形成GO薄膜。该薄膜经过高温热压形成碳膜，然后在2850℃下石墨化形成石墨烯膜。最后的致密化步骤涉及连续轧制，从而形成具有均匀厚度和高导电性的米级Gr箔。所生产的 Gr 箔具有出色的均匀性，厚度为17 ± 1 µm，电导率为1.3 ± 0.02 × 106 S m-1，导热率为 1400.8 ± 9.6 W m-1 K-1。这些特性对于大规模锂离子电池的高效和安全运行至关重要。图1展示了从 GO 浆料浇注和干燥开始形成 GO 薄膜的连续热压过程。该薄膜经历了一系列热加工和机械加工，包括热压、石墨化和致密化。此外，还显示 GO 膜、碳膜、Gr 膜和 Gr 箔的图像，突出显示每个阶段的转变。
图 1. 大面积Gr箔的制备
【高导电 Gr 箔的特性】
作者使用各种技术来表征石墨烯箔的特性，以确认其作为 CC 的适用性：（1）结构完整性：X射线衍射（XRD）显示在26.47°处有尖锐的（002）衍射峰，表明具有高度石墨化的碳结构。拉曼光谱显示 ID/IG 比率显着降低，表明石墨化后结构无缺陷。（2）形态和机械性能：高分辨率透射电子显微镜（TEM）证实了具有正六方晶格的无缺陷结构。Gr 箔具有高拉伸强度 (81.6 MPa) 和卓越的柔韧性，即使在大量弯曲和折叠后也能保持其结构。（3）导热性和导电性：Gr箔的导热率比传统的铝箔和铜箔高一个数量级，确保快速散热。该特性对于维持电池在运行过程中的安全至关重要。
图 2. 箔的物理表征
【锂离子电池软包电池的大规模制造】
本文展示了Gr箔在大规模锂离子电池制造中的实际应用：（1）软包电池的组装：软包电池使用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)阴极和石墨阳极以及Gr箔作为CC进行组装。这些电池被称为Gr||Gr电池，与传统的Al||Cu电池进行比较，以突出Gr箔的优势。（2）集成和测试：Gr箔无缝集成到软包电池的连续组装过程中，可适应各种容量（2-10 Ah）。该集成包括单面和双面涂层程序、自动电极缠绕和强大的焊接技术。
图 3. 电化学和热性能
【经过压力测试的电池中的传热调节】
该研究调查了使用GrCC的电池的传热调节和安全性能：（1）热管理：Gr箔的高导热性确保电池内热量分布均匀，防止局部过热并增强整体热管理。此功能在高倍率放电和压力测试期间至关重要。（2）安全性能：热失控测试表明，与传统的Al||Cu电池相比，采用GrCC的电池表现出明显较低的峰值温度和延迟的放热反应开始。Gr||Gr电池在热失控过程中释放的易燃气体也更少，从而降低了着火和爆炸的风险。
图 4. 热失控期间袋式电池的安全性能和机理分析
【讨论】
讨论部分综合了研究结果并强调了更广泛的影响：（1）增强的性能和安全性：研究表明，Gr 箔可以显着提高锂离子电池的性能和安全性。Gr 箔的高导热性和导电性有助于更好的散热和电子传输，而其机械坚固性则确保了耐用性。（2）可扩展性和商业可行性：Gr 箔的成功大规模制造以及将其集成到锂离子电池中表明了其商业可行性。该工艺具有可扩展性，可以生产商业相关数量的高质量 Gr 箔。（3）未来的应用和研究方向：Gr 箔可用于锂离子电池以外的各种电化学应用，例如燃料电池和氧化还原液流电池。未来的研究可以探索 Gr 箔特性的进一步优化及其与不同类型的储能系统的集成。
【作者简介】
杨金龙 (Jinlong Yang)，男，1987年生，籍贯安徽安庆。2020-至今，深圳大学副教授/特聘研究员，广东省杰出青年基金获得者，深圳市海外高层次人才，中国材料研究学会和中国化学会成员；2018-2020，美国斯坦福大学博士后；2014-2018，北京大学博士后；2011-2014，武汉理工大学材料物理与化学专业博士。主持国家自然科学基金-青年/面上项目、国际交流计划派出项目、广东省自然科学基金-杰青和面上项目等10余项科研课题，申获国家授权发明专利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PNAS(1篇),Nat. Commun.(2篇),Adv. Mater.(3篇),Matter(1篇),Angewandte(3篇),JACS(1篇),Adv. Energy Mater.(3篇),Nano Lett.(3篇)等，影响因子>10的论文20余篇，SCI期刊引用超过5500次，H-index为41。
麦立强，1975年12月出生河南周口，英国皇家化学会会士，武汉理工大学党委常委、副校长 ，材料学科首席教授，2015年至2019年获国家杰出青年科学基金资助，2017年至2022年获“长江学者奖励计划”特聘教授资助。
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。
