集流體是鋰離子電池中不可或缺的組成部件之一，它不僅能承載活性物質，而且還可以將電極活性物質產生的電流匯集并輸出，有利于降低鋰離子電池的內阻，提高電池的庫倫效率、循環穩定性和倍率性能。

鋰離子電池集流體

原則上，理想的鋰離子電池集流體應滿足以下幾個條件: (1) 電導率高; (2) 化學與電化學穩定性好; (3)機械強度高; (4) 與電極活性物質的兼容性和結合力好; (5) 廉價易得; (6) 質量輕。

但在實際應用過程中，不同的集流體材料仍存在這樣那樣的問題，因而不能完全滿足上述多尺度需求。如銅在較高電位時易被氧化，適合用作負極集流體; 而鋁作為負極集流體時腐蝕問題則較為嚴重，適合用作正極的集流體。目前可用作鋰離子電池集流體的材料有銅、鋁、鎳和不銹鋼等金屬導體材料、碳等半導體材料以及復合材料。

2.1 銅集流體

銅是電導率僅次于銀的優良金屬導體，具有資源豐富、廉價易得、延展性好等諸多優點。但考慮到銅在較高電位下易被氧化，因此常被用作石墨、硅、錫以及鈷錫合金等負極活性物質的集流體。常見的銅質集流體有銅箔、泡沫銅和銅網以及三維納米銅陣列集流體。

2.1.1 銅箔集流體

根據銅箔的生產工藝，可進一步將銅箔分為壓延銅箔和電解銅箔。與電解銅箔相比，壓延銅箔的電導率更高，延伸效果更好，對彎曲度要求不高的鋰離子電池可以選擇電解銅箔作為負極集流體。研究表明，增加銅箔表面的粗糙程度有利于提高集流體與活性物質之間的結合強度，降低活性物質與集流體之間的接觸電阻，相應地，電池的倍率放電性能及循環穩定性也更好。

2.1.2 泡沫銅集流體

泡沫銅是一種類似于海綿的三維網狀材料，具有質量輕、強度韌性高以及比表面積大等諸多優點。雖然硅、錫負極活性材料具有很高的理論比容量，并被認為是頗有發展前景的鋰離子電池負極活性材料之一，但在循環充/放電過程中也存在體積變化較大、粉化等缺點，嚴重影響電池性能。研究表明，泡沫銅集流體可以抑制硅、錫負極活性物質在充放電過程中的體積變化，減緩其粉化現象，從而提高電池性能。

2.2 鋁集流體

雖然金屬鋁的導電性低于銅，但在輸送相同電量時，鋁線的質量只需要銅線的一半，無疑，使用鋁集流體有助于提高鋰離子電池的能量密度。此外，與銅相比，鋁的價格更為低廉。在鋰離子電池充/放電過程中，鋁箔集流體表面會形成一層致密的氧化物薄膜，提高了鋁箔的抗腐蝕能力，常被用作鋰離子電池中正極的集流體。

與銅箔集流體一樣，表面處理也能提高鋁箔的表面特性。經直流刻蝕后，鋁箔表面會形成蜂窩狀結構，與正極活性物質的結合更加緊密，并改善鋰離子電池的電化學性能。然而，事實上，鋁集流體也常常因表面鈍化膜的破壞而腐蝕嚴重，鋰離子電池性能也隨之降低。因此，為了提高刻蝕后鋁箔的耐蝕性能，需要對其表面進行優化處理，形成更加穩定的鈍化膜。

2. 3 鎳集流體

相對而言，鎳屬于賤金屬，價格較為低廉，具有良好的導電性，且在酸、堿性溶液中較穩定，因此，鎳既可以作為正極集流體，也可以作為負極集流體。與其匹配的既有正極活性物質磷酸鐵鋰，也有氧化鎳、硫及碳硅復合材料等負極活性物質。

鎳集流體的形狀通常有泡沫鎳和鎳箔兩種類型。由于泡沫鎳的孔道發達，與活性物質之間的接觸面積大，從而減小了活性物質與集流體間的接觸電阻。而采用鎳箔作為電極集流體時，隨著充/放電次數增加，活性物質易脫落，影響電池性能。同樣，表面預處理工藝也適用于鎳箔集流體。如對鎳箔集流體表面進行刻蝕后，活性物質與集流體的結合強度明顯增強。

泡沫鎳

氧化鎳具有結構穩定、價格便宜等優點，且具有較高的理論比容量，是一種應用廣泛的鋰離子電池負極活性物質。基于此，通過固相氧化法在泡沫鎳表面原位生長一層氧化鎳，制備以泡沫鎳為集流體的氧化鎳負極。與鎳箔/氧化鎳負極相比，泡沫鎳/氧化鎳負極的首次放電比容量大幅度增加。原因在于，與二維集流體相比，三維結構的集流體減少了界面極化現象，提高了電池的充/放電循環穩定性。

磷酸鐵鋰因具有安全性好、原料來源廣泛等優點而被認為是動力鋰離子電池理想的正極活性材料，將其涂覆在泡沫鎳集流體表面可以增加LiFePO4 與泡沫鎳的接觸面積，降低界面反應的電流密度，進而提高LiFePO4 的倍率放電性能。

2.4 不銹鋼集流體

不銹鋼是指含有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、鐵等元素的合金鋼，具有良好的導電性和穩定性，可以耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質和酸、堿、鹽等強腐蝕介質的化學侵蝕。不銹鋼表面也容易形成鈍化膜，可以保護其表面不被腐蝕，同時不銹鋼可以比銅加工得更薄，具有成本低、工藝簡單及大規模生產等優點。不銹鋼可以作為正極或負極的集流體，常見的不銹鋼集流體有不銹鋼網和多孔不銹鋼兩種類型。

2. 4. 1 不銹鋼網集流體

不銹鋼網的質地致密，作為集流體時，其表面被電極活性物質包裹，基本不與電解液直接接觸，不易發生副反應，有利于提高電池的循環性能。

2. 4. 2 多孔不銹鋼集流體

為了充分利用活性物質、提高電極的放電比容量，一個簡單有效的方法便是采用多孔集流體。

2.5 碳集流體

以碳材料作為正極或負極集流體時，可以避免電解液對金屬集流體的腐蝕，且其具有資源豐富、易加工、低電阻率、對環境無危害、價格低廉等優勢。

碳纖維布以其自身良好的柔軟性、導電性以及電化學穩定性等優點，可用作柔性鋰離子電池的集流體。碳納米管是另一種形貌的碳集流體，相對于金屬集流體而言，其明顯的優勢在于質量輕巧，且可以大幅度提高電池的能量密度。

2.6 復合集流體

除了單一集流體如銅集流體、鋁集流體、鎳集流體、不銹鋼集流及碳集流體等受到廣泛關注外，近年來，復合集流體也引起了學者們的研究興趣，如導電樹脂、覆碳鋁箔及鈦鎳形狀記憶合金等。

2.6.1 導電樹脂集流體

聚乙烯(PE) 和酚醛樹脂(PF) 集流體是將導電填料與高分子樹脂基體復合而成。以PE 和PF作為基體材料，與導電填料( 石墨、碳黑) 均勻混合，制備了復合集流體，并研究它們的物理化學性能。石墨烯是一種由碳原子經sp2雜化而形成的獨特的新型二維碳功能材料，具有超高的電導率、比表面積及機械強度等諸多優點，既可以替代石墨作為鋰離子電池的負極活性物質，也可以作為集流體材料。

2.6.2 鈦鎳形狀記憶合金集流體

鈦鎳形狀記憶合金是由鎳和鈦組成的二元合金，隨著外界溫度或所受壓力的改變可以在兩種不同的晶相之間相互轉化。鈦鎳形狀記憶合金能通過改變自身相態來抑制活性

物質在充放電過程中的體積變化，提高電池的循環壽命。

2.6.3 覆碳鋁箔集流體

覆碳/鋁箔集流體即是將含碳復合層涂覆在鋁箔表面的復合集流體。其中，含碳層是由碳纖維與經過分散劑處理后的導電碳黑顆粒而構成，能夠與鋁箔緊密結合，提高電極的導電性和耐蝕性。

集流體是鋰離子電池中不可或缺的重要部件之一，具有承載電極活性物質與匯集輸出電流的多重功能。由不同材料、不同生產工藝所制備的集流體的性能各有千秋，對鋰離子電池的影響也各不相同。

參考：劉松等《鋰離子電池集流體的研究進展》

審核編輯 ：李倩