鋰離子電池（LIBs）的性能極大程度依賴于其內部電子傳導的骨架—集流體。傳統平面金屬箔集流體因界面結合弱、無法緩沖電極材料體積膨脹等固有缺陷，已成為制約電池能量密度、循環壽命及安全性的關鍵瓶頸。為此，結構化集流體通過精心的表面與體相結構設計，為上述問題提供了系統性解決方案。Flexfilm探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

本文系統綜述了兩大主流技術路徑：基于平面板的特殊表面集流體與基于三維骨架的多孔集流體，并進一步劃分為單組分與多組分體系。文章不僅詳述了各類集流體的設計策略、制備方法及性能提升機制，還特別強調了表面形貌定量表征（如臺階儀的應用）在材料研發與質量控制中的關鍵作用。最后，本文客觀分析了當前面臨的產業化挑戰，并對未來發展方向進行了展望，旨在為下一代高性能鋰離子電池的開發提供從基礎研究到工程應用的全景視角。

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結構化集流體的必要性與表征

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(a)LIBs的充放電機制示意圖；(b)非層狀活性材料在鋰化/脫鋰過程中的行為示意圖

商用LIBs負極普遍使用表面平整的銅箔作為集流體。然而，在充放電過程中，高容量負極材料（如硅、錫）會發生劇烈的體積變化，導致其與光滑集流體界面剝離，引發容量驟降和循環失效。此外，有限的表面積限制了電子傳輸，易引發電極局部極化與鋰枝晶生長，帶來安全隱患。

結構化集流體的核心在于：通過微納尺度的表面工程或三維結構構筑，主動調控集流體與活性材料間的界面。其核心優勢包括：增大接觸面積以增強機械互鎖與電接觸；提供緩沖空間以容納體積應變；乃至通過功能化涂層貢獻額外容量或引導鋰均勻沉積。

在評估與優化這些精細結構時，對其表面形貌進行精確量化至關重要。臺階儀（表面輪廓儀） 作為一種重要的接觸式形貌測量儀器，能夠以納米級分辨率獲取表面的二維輪廓及粗糙度參數（如算術平均粗糙度Ra）。它與掃描電子顯微鏡（SEM）的形貌觀察、原子力顯微鏡（AFM）的納米級成像互為補充，為建立“制備工藝-表面形貌-電化學性能”的定量關聯提供了關鍵數據支撐，是研發結構化集流體的基礎表征工具之一。

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基于平面板的特殊表面集流體

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此類技術以傳統金屬箔為基板，通過表面改性賦予新功能，兼具革新性與工藝繼承性。

(a)用于研究集流體表面粗糙度影響的原位測量光路設置；(b)基于原始和粗糙表面銅集流體的硅負極退化過程示意圖(c)基于粗糙表面集流體的電極截面SEM圖像及(d)結合強度曲線；(e)電流密度為1.2Ag?1時電池的循環性能曲線

(a)銅納米線集流體的制備過程示意圖；(b)銅納米線集流體的截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(c)鋰在不同集流體表面沉積行為示意圖；(d)基于納米線結構銅集流體的電池電壓-時間曲線。(e)Cu-Si-Al?O?無粘結劑復合電極的制備過程；(f)Cu-Si-Al?O?納米電纜的透射電子顯微鏡（TEM）圖像；(g)電池倍率性能對比；(h)電流密度為1.4Ag?1時電池的循環性能曲線

單組分類型：對商用箔片的直接升級

粗糙化表面：通過化學蝕刻或機械處理在銅箔表面引入微米級粗糙結構。利用臺階儀進行定量表征可以精確測定其表面輪廓與Ra值。

研究表明，粗糙表面能與活性材料形成“機械互鎖”，例如，臺階儀測量顯示經蝕刻的銅箔Ra值可達約3 μm，而原始箔片小于1 μm，這種定量的形貌改變直接對應了界面結合力超過150 %的提升，顯著改善了硅負極的循環穩定性。

(a)鉬箔集流體上垂直站立超薄MoS?的示意圖，(b)截面SEM圖像和(c)循環性能。(d)SiNP修飾的SiNWs網絡示意圖，(e)0.2C倍率下的電壓曲線和(f)循環性能

多孔化表面：在銅箔上構筑納米線、納米墻陣列。這種結構大幅增加了電化學活性面積，降低了局部電流密度，能有效延緩鋰枝晶生長，提升長循環性能（如銅納米線集流體可穩定運行600周以上）。

多組分類型：構筑功能化復合界面

在金屬基板上復合一層或多層功能材料。

(a)碳包覆銅箔示意圖；(b)使用包覆銅箔與純銅箔集流體的LiFePO?/C全電池循環穩定性對比；(c)包覆與原始銅集流體在1C至4C不同倍率下的極化電壓對比。(d)鋰在原始銅箔和Cu?P@Cu箔上沉積行為示意圖；(e)使用純銅或Cu?P@Cu作為負極集流體的Li-LFP全電池循環性能

(a)多孔CuO/Cu復合集流體的制備過程示意圖及(b)數碼顯微鏡圖像。(c)棋盤狀Cu@CNF復合集流體的制備過程示意圖；(d)基于棋盤狀Cu@CNF復合集流體的電池在0.1C倍率下的循環性能

導電涂層：如碳層或垂直石墨烯涂層。這些涂層能有效降低界面電阻，提升電子傳輸效率，部分已實現商業化應用。

(a)銅納米墻形成過程示意圖；(b)銅納米墻集流體的SEM圖像(c)雙模式集流體截面SEM圖像；(d)采用不同集流體的錫電極循環性能對比

活性/多功能涂層：如在圖案化銅箔上沉積CuO或碳納米纖維網絡。這些涂層不僅增大了表面積，其自身也可參與儲鋰反應貢獻容量，并通過復合效應增強電極整體穩定性。

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基于三維骨架的多孔集流體

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這類集流體具備自支撐的三維貫通孔隙結構，徹底突破了平面基板的限制。

(a)微層3D多孔銅集流體的SEM圖像。(b)鎳集流體及MnNi?O?/Ni電極示意圖。(c)碳泡沫集流體的SEM圖像。(d)多尺度3D銅泡沫集流體的SEM圖像。(e)Sb@3D Cu NWAs的制備過程示意圖

(a)傳統平面與多孔銅纖維網絡（FN）集流體示意圖；(b)和(c)基于金屬FN的柔性負極薄膜照片；(d)和(e)由基于金屬FN的柔性LIB供電的紅色LED燈。(f)基于碳布集流體的電極SEM圖像

單組分類型：

金屬/碳泡沫：如銅泡沫、鎳泡沫和碳泡沫。它們具有高孔隙率、大比表面積和優異導電性，為活性物質提供了理想的負載空間和穩定的導電骨架，極大緩沖了循環應力。

(a)具有納米孔的3D銅集流體的大規模合成示意圖及(b)SEM圖像；(c)硅基納米多孔3D電極與硅基平面電極在1C倍率下的循環性能對比。(d)使用基于CNT的3D多孔集流體制備柔性電極的示意圖；(e)3D多孔CNT集流體與石墨接觸界面的SEM圖像

(a-c)Ni@MWCNT復合集流體的SEM圖像。(d)氮摻雜碳泡沫/CNT復合集流體的SEM圖像；(e)1C倍率下電池循環性能對比。(f)3DCu?S NWs/Cu的制備示意圖；(g)在0.5C倍率下，使用銅鋰負極和3DCu?S NWs/Cu-鋰負極、與LFP正極匹配的全電池循環性能對比

纖維網絡：如金屬纖維氈或碳布。兼具多孔性與柔性，是制備柔性電池電極的理想選擇。

多組分類型：三維骨架的功能化集成

3D多孔復合集流體的制備過程示意圖

(a)通過電子束蒸發制備的交叉堆疊CNT集流體的表面改性示意圖；(b)3D多孔銅包覆CNT網絡集流體的SEM圖像；(c)3D多孔枝晶狀集流體的制備過程示意圖及(d)SEM圖像

在三維骨架上復合其它高性能材料以實現功能增強。例如，在鎳泡沫上生長碳納米管網絡，構建“導電性+高比表面”的復合集流體；或在銅泡沫內生長Cu?S納米線，利用其親鋰性引導鋰金屬均勻沉積，顯著提升金屬鋰電池的循環壽命與安全性。

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核心性能提升機制總結

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界面錨定效應：增大的比表面積與粗糙結構創造了更多的物理錨定點與化學鍵合位點，大幅增強界面結合力。

應力緩沖效應：精心設計的孔隙與空腔為活性材料的體積變化提供了容納空間，抑制材料粉化與脫落。

傳輸優化效應：三維連續導電網絡縮短了電子與離子的傳輸路徑，降低了電極極化。

功能協同效應：通過引入活性物質或智能界面層，實現容量貢獻、鋰沉積調控等多功能集成。

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挑戰與未來展望

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盡管前景廣闊，結構化集流體的產業化仍面臨多重挑戰：

成本與規模化工藝：許多納米結構的制備方法復雜、成本高昂，生產效率與一致性難以滿足大規模制造需求。

體積能量密度權衡：三維多孔結構通常會降低電極的壓實密度，可能犧牲電池的體積能量密度，需進行精細化結構設計以求得平衡。

界面副反應管控：巨大的比表面積可能加劇電解質分解等副反應，導致初始庫倫效率降低和活性鋰損失，需開發有效的表面鈍化策略。

均一性與質量控制：電極性能的均一性是大規模應用的前提。這要求對集流體自身的結構形貌參數（如孔隙分布、粗糙度）實現高可控性與高重復性制備。為此，未來需要引入如臺階儀、白光干涉儀等標準化的表面計量工具，對生產過程中的關鍵形貌參數進行在線或離線定量監控，建立嚴格的質控標準。

設計參數的系統優化：針對不同的電池體系，如何優化集流體的孔徑、孔隙率、涂層厚度等多維參數，尚缺乏系統的理論指導和數據庫支撐。

未來研究方向應聚焦于：

開發低成本、高通量、可規?；?/strong>的制造技術（如改良的電沉積、卷對卷涂布等）。

利用多尺度模擬與機器學習，逆向設計兼具高能量密度與優異力學/電化學性能的梯度結構或仿生結構。

深化界面反應機理研究，開發新型固態電解質或界面修飾層，從根本上抑制副反應。

推動表征技術標準化，將臺階儀等定量形貌分析深度整合進材料研發與生產線質量控制流程，實現從實驗室到產品的精準復現。

結構化集流體通過從二維平面到三維空間的創新設計，為解決高容量負極材料應用中的根本性難題提供了強大工具。從表面納米工程到體相多孔架構，從單一組分到多功能復合，該領域已展現出豐富的技術內涵。未來的突破將依賴于材料設計、精密制造、先進表征（如臺階儀為代表的定量形貌分析）與人工智能設計的深度融合。唯有如此，才能推動這些高性能集流體從實驗室走向規模化應用，最終實現鋰離子電池能量密度、壽命與安全性的同步跨越。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

原文參考：《A review on structuralized current collectors for high-performance lithiumion battery anodes》

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