摘要
集流体作为锂电池电极系统的核心组成部分，承担电子传导、机械支撑及界面调控的关键功能。其与电极材料的匹配性直接影响电池的能量密度、循环寿命及安全性。本文系统探讨了集流体与正负极材料的物理化学相互作用机制，分析了传统金属集流体（铜、铝）的局限性，并重点评述了碳基复合材料、功能涂层及无金属集流体等新型材料的突破性进展。为高能量密度锂离子电池的开发提供理论依据参考。
一、引言
自1991年索尼商业化锂离子电池以来，集流体作为电极系统的“电子骨架”始终未引起足够重视。传统观点认为，集流体的作用仅限于导电和机械支撑，但其实际影响贯穿电池充放电的全过程：
1、电子传输效率：集流体与活性材料的接触电阻可占电池总内阻的30%-50%（Zhang et al.,2023）
2、界面稳定性：金属集流体的腐蚀与锂枝晶生长导致约25%的电池失效（Li et al.,2022）
3、体积匹配性：硅基负极（体积膨胀率300%）与传统铜箔的失配是制约其规模化应用的核心瓶颈
4、随着电动汽车（4C以上充放电需求）及高比能储能系统（≥300 Wh/kg）的发展，集流体的材料创新已成为突破电池性能极限的关键路径。
二、集流体的功能特性与材料选择标准
1、基本功能要求
2、传统集流体材料局限性
（1）铜箔：高导电性（Cu:5.8×10⁷S/cm）但密度大（8.96 g/cm³）
（2）硅基负极适配性差：体积膨胀导致Cu-Si复合界面断裂（Wang et al.,2022）
（3）铝箔：低密度（2.7 g/cm³）但耐腐蚀性弱（NaOH溶液腐蚀速率达50μm/年）
（3）高温下易氧化（>150℃生成Al₂O₃绝缘层）
三、新型集流体材料设计与协同优化
1、碳基复合集流体
（1）三维多级碳结构
碳纳米管阵列：杨培东团队开发的气相沉积法制备的Cu-CNT复合箔（图3a），其定向生长结构使硅负极体积膨胀均匀化，循环稳定性达5000次（容量保持率>80%）
（2）石墨烯泡沫：密度0.5 g/cm³的石墨烯气凝胶（Sun et al.,2021）作为铜集流体替代品，其三维网络结构可将局部电流密度降低至传统铜箔的1/5。
（3）导电聚合物改性
PEDOT:PSS涂层：表面阻抗（Rsei=12Ω·cm²）较裸铜箔降低67%，与硫正极的接触角从112°降至22°，显著提升锂硫电池性能
2、表面功能化技术
（1）金属有机框架（MOFs）衍生涂层
ZIF-8修饰铜箔在电解液中的腐蚀速率降低至0.2μm/年，其孔隙结构可锚定Li⁺离子，使锂离子迁移率提高至1.2×10⁻³cm²/s
（2）等离子体处理技术
氩等离子体处理铝箔（功率100 W，时间30 s）可在表面生成2-5 nm厚的TiO₂纳米层，将Na⁺扩散系数提升至2.1×10⁻⁴cm²/s（接近铜箔水平）
四、钠离子电池集流体创新
中国科学技术大学研发的Cu-CNF复合集流体（碳纤维占比30 vol%）展现出独特优势：
1、双通道传输：铜网络负责高速电子传导（σ=4.2×10⁶S/cm），碳纤维提供储钠位点（比容量120 mAh/g）
2、协同效应：在1 C倍率下，Na⁺/e⁻转移系数（τ=0.92）接近理论极限值1
五、发展趋势与难点
1、智能响应型集流体
（1）形状记忆合金：Ni-Ti合金集流体可通过相变吸收体积变化应力（ΔL=8%）
（2）电致变色功能：WO₃基透明集流体实现动态阻抗调节（ON/OFF状态电阻比达10⁶）
2、可持续发展路径
（1）生物基集流体：纤维素纸基集流体（导电添加剂为竹炭黑）在1 M NaCl电解液中表现出优异稳定性（浸泡28天后电阻变化<5%）
（2）闭环回收技术：采用氢等离子体还原法从废旧电池中回收铜箔纯度可达99.2%
六、结论
（一）原则
集流体的材料创新已从“被动适配”转向“主动调控”，其与电极材料的协同设计需满足以下科学原则：
1、跨尺度结构匹配：宏观力学性能（如杨氏模量）与微观界面特性（如双电层厚度）需系统优化
2、动态响应能力：开发具备自修复、自润滑功能的智能集流体材料
3、全生命周期成本控制：平衡材料性能、工艺复杂度及回收可行性
（二）研究聚焦
1、建立集流体-电极材料界面行为的量化评价体系；
2、开发多物理场耦合模拟工具；
3、探索原子层沉积（ALD）等新型制备技术。
通过这些突破，集流体有望从电池系统的“配角”升级为“功能集成中心”，推动锂离子电池向更高能量密度、更长循环寿命的目标迈进。
文章来源：锂电池技术知识平台
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