《Journal of Power Sources》：Optimization of cycle life: Design strategy for 400 Wh/kg high-energy-density battery systems
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高能量密度锂离子电池采用复合铜箔替代纯铜箔，显著提升循环寿命，C-0.4组在500次循环后容量保持率80%，厚度膨胀仅1.6%。但高倍率下观察到电荷转移电阻降低伴随活化-充电转移电阻与直流电阻显著增加，影响倍率性能。需平衡成本、性能与工艺需求。
Zhilong He|Qifei Dai|Xiaojin Zhang|Shuang Tian
中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国浙江省宁波市，315201
摘要
鉴于目前量产的锂离子电池的比能量通常低于400 Wh/kg，对设计策略进行调整不仅减少了整个循环寿命期间系统的厚度膨胀，还显著延长了400 Wh/kg高能量密度电池系统的循环寿命。特别是使用单面0.4 μm复合箔的C-0.4组，其循环寿命几乎是纯铜箔组的四倍，在经过500次循环后仍保持初始容量的80%，且厚度膨胀仅为原始状态的1.6%。这些结果证实，设计策略的调整有效提升了系统性能，并加速了其商业化进程。进一步分析显示，循环性能的改善与系统内电阻（Rct）的降低之间存在直接关联。然而，交流内阻（ACIR）和直流内阻（DCIR）同时显著增加，这影响了电池在高电流下的充放电性能——尤其是在复合铜箔的厚度进一步减薄时。因此，优化这一设计策略时必须全面考虑电池产品的成本、性能和应用特定要求。
引言
高能量密度的锂离子电池（LIBs）是当代社会的关键研发重点之一[1,2]。更高的能量密度意味着更轻的电源即可提供等量的能量，从而有助于提高储能系统的便携性和经济效率。因此，LIBs的能量密度在其发展历程中呈现出持续上升的趋势[3,4]。近年来，出现了许多旨在提高电池能量密度的新材料、工艺和技术[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。在这些进步中，复合铜箔是一种新型的电池集流体材料。通常，这类结构材料使用聚合物薄膜（如PET、PP或PI）作为基底。首先通过真空溅射技术在基底表面沉积纳米级金属导电层，然后在水介质中电镀或其他增厚工艺将铜层生长到微米级别，最终形成“金属-聚合物-金属”三明治结构。目前主流复合铜箔的聚合物层厚度约为4 μm，上下铜层各为1至2 μm，总厚度为6至8 μm。以PET为例，聚合物材料的密度为1.38-1.40 g/cm3，而铜的密度为8.96 g/cm3。因此，使用复合铜箔不仅减少了电池的整体重量，提高了其能量密度，还降低了铜的消耗。鉴于铜价的持续上涨，这有效降低了阳极箔的成本[16,17]。因此，用复合铜箔优化传统的纯铜箔集流体对于阳极具有重要意义。
然而，目前量产的锂离子电池的能量密度基本稳定在400 Wh/kg以下[18,19]。这是因为随着能量密度的增加，电池性能急剧下降，主要表现为可逆锂损失的加速，导致电池容量迅速降至初始值的80%以下[[20], [21], [22]]。此外，由于阳极中高硅碳含量导致的过度膨胀以及其他相关问题，阻碍了高比能量电池的进一步应用[[23], [24], [25], [26], [27]]。因此，优化400 Wh/kg高比能量电池系统的设计策略以显著延长其循环寿命并减少膨胀对于加速400 Wh/kg高能量密度电池的商业化至关重要[28,29]。
在这项工作中，我们基于能量密度高达400 Wh/kg的电池系统，通过将原有的4.5 μm纯铜箔替换为0.85/4.5/0.85（铜箔/PET/铜箔厚度，单位μm）和0.4/4.5/0.4（铜箔/PET/铜箔厚度，单位μm）配置的复合铜箔来调整设计。研究了这种设计调整对电池性能提升的积极作用，并讨论了由此产生的问题。
电极制备和电池组装
阳极制备：使用双行星搅拌机将硅碳材料（上海杉杉新材料有限公司）、石墨（上海杉杉新材料有限公司）、导电剂（SP，瑞士Timcal有限公司；SWCNT，沈阳汇晶纳米科技有限公司）和粘合剂（PAA，江苏Cnano科技有限公司；SBR，Daicel投资有限公司）分散在去离子水中，制备出固含量为40%的均匀水性浆料。然后将浆料均匀涂覆在
电性能比较
设计优化后三组电池的基本特性总结在表4中。如表所示，三组电池的比能量密度均为400 Wh/kg。同时，它们的充放电曲线（图2(a)）和差分容量与电压曲线（图2(b)）表现出高度一致性。值得注意的是，表4显示电池的电压平台顺序为：C-0.4组 > B-0.85组 > A-4.5组，这一结果得到了验证
结论
在基础400 Wh/kg高比能量电池系统的基础上，传统的4.5 μm纯铜阳极集流体被复合铜箔取代。在保持阴极设计不变的情况下，优化了阳极活性材料中石墨与SiC的质量比，以保持与基线配置相同的总阳极质量。所有三组改进后的电池均实现了400 Wh/kg的比能量，充放电曲线几乎重叠
CRediT作者贡献声明
Zhilong He：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草案，方法论，正式分析，数据管理。Qifei Dai：验证，监督，资源协调，项目管理，方法论，研究，正式分析，数据管理，概念构思。Xiaojin Zhang：验证，监督，软件开发，资源协调，项目管理，方法论，研究，正式分析，概念构思。Shuang Tian：监督，资源协调，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
