電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)于現(xiàn)代人的日常生活來說是十分關(guān)鍵的。在諸多種類的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備中，鋰離子電池具有最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。一般來說，鋰離子電池包括正極、負(fù)極、液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)、聚合物微孔隔膜和一對(duì)電極集流體。自鋰離子電池的概念被提出以來40余年的時(shí)間內(nèi)，大量著眼于基礎(chǔ)理論或?qū)嶒?yàn)應(yīng)用的相關(guān)研究陸續(xù)見諸文獻(xiàn)報(bào)道。這些研究成果絕大部分是關(guān)于正極負(fù)極活性材料、電解質(zhì)和隔膜的，然而電極集流體作為一個(gè)不可或缺的重要組分，關(guān)于其的系統(tǒng)研究卻鮮見于各類文獻(xiàn)中。目前，對(duì)鋰離子電池的電極的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)制備絕大部分采用傳統(tǒng)的金屬箔作為集流體，配以粉狀的活性材料加上碳黑和聚合物粘接劑所混合而成的漿料加以表面涂覆。這種技術(shù)具有簡(jiǎn)便易行和成本低廉的特點(diǎn)。但另一方面，這種在平整金屬箔上涂覆漿料的方式仍具有諸如低比表面積、活性材料容易集聚、長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)之后容易脫落等缺點(diǎn)。為解決這些問題，近年來，采用三維多孔層狀集流體來替代傳統(tǒng)平整金屬箔集流體的新型設(shè)計(jì)思路開始逐步嘗試應(yīng)用到鋰離子電池的研究中。再結(jié)合使用無粘接劑的活性材料沉積生長(zhǎng)等方式，鋰離子電池的電化學(xué)性能會(huì)得到顯著提升。

近日，美國德州A&M大學(xué)(Texas A&M University) 機(jī)械工程系及材料科學(xué)與工程系Oscar S. Wyatt Jr. 冠名教授梁虹博士(Dr. Hong Liang)研究團(tuán)隊(duì)在Wiley知名期刊Small Methods上在線發(fā)表了題為“Three-dimensional Current Collectors for Lithium-ion Batteries: A Topical Review”的長(zhǎng)篇綜述文章，德州A&M大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生岳源(Yuan Yue)為第一作者。該綜述基于全面提升鋰離子電池電極儲(chǔ)能性能的迫切需求，對(duì)最近若干年新出現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)多孔層狀電極集流體進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究和分析。在對(duì)50余篇相關(guān)文獻(xiàn)的綜合調(diào)研分析之后，發(fā)現(xiàn)在使用三維結(jié)構(gòu)多孔層狀集流體之后，鋰離子電池的電化學(xué)性能會(huì)有顯著提升。這一效應(yīng)對(duì)于無粘接劑的電極尤為明顯。

本綜述系統(tǒng)總結(jié)并提出了一系列衡量三維結(jié)構(gòu)多孔層狀集流體對(duì)電池性能提升作用的統(tǒng)計(jì)方法和表征參數(shù)。此項(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)在于通過總結(jié)和分析處理，提出了一整套針對(duì)新型三維結(jié)構(gòu)多孔層狀集流體的設(shè)計(jì)策略，為今后新型高性能鋰離子電池電極的設(shè)計(jì)和制備提供了一個(gè)有效可行的新思路。主要思路有以下幾點(diǎn)：(1) 新型三維多孔集流體應(yīng)采用高導(dǎo)電性和低密度的材料（譬如石墨烯、碳纖維碳的微納米結(jié)構(gòu)）以提升電池總體的比容量；(2) 新型三維多孔集流體應(yīng)使用沉積生長(zhǎng)等無粘接劑的方式來負(fù)載活性材料，這有利于多孔結(jié)構(gòu)的有效保持和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性；(3) 總的來說，新型三維多孔集流體不宜使用具有無規(guī)則孔徑形狀和尺寸分布的泡沫狀多孔材料，其主要缺點(diǎn)在于過大的孔徑尺寸、孔隙度和無規(guī)則的空隙分布和取向。這些都不利于提升電池儲(chǔ)能性能；(4) 新型三維多孔集流體應(yīng)具有孔徑大小適中、孔徑方向平行并三維正交的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。基于上述設(shè)計(jì)思路，作者認(rèn)為設(shè)計(jì)出新型三維多孔集流體對(duì)于下一代電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的性能提升具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。