导 读

在锂离子电池中，铝集流体存在严重的腐蚀问题，导致电化学性能下降。针对这一问题，本文概述了铝的腐蚀机理及其影响因素；介绍了国内外用于评价铝的形貌、电化学和化学性质的先进技术；从功能机制、材料选择和结构设计等方面综述了铝防护策略；并展望未来铝腐蚀与防护的研究方向。本文为发展铝防腐技术提供了理论支持。

图1 锂电池中铝集流体的腐蚀与防护

锂离子电池中铝腐蚀受多种因素影响。本文探讨了影响铝腐蚀的三个主要因素：铝自身性质、电解液、环境。铝被选用为正极集流体是因为其表面存在致密的钝化膜氧化铝Al₂O₃，理论上可以承受较高工作电位。但铝在电解液中经受严重的腐蚀。电解液中不同的锂盐（LiPF₆、LiTFSI等）和溶剂（碳酸盐和醚）由于形成不同组成的腐蚀机制，从而对腐蚀结果产生较大影响。环境温度、截止电压等因素也是影响铝腐蚀的重要环境因素。

图2 不同电解液的腐蚀机制

铝在不同电解质中表现出不同的腐蚀反应机理。在LiPF₆基电解液中，氢氟酸与铝表面生成覆盖钝化层（AlF₃），一定程度上阻止了腐蚀过程的继续。但在LiTFSI基电解液中，LiTFSI的腐蚀产物是可溶的，不能再保护铝，因此腐蚀较为严重。电解液添加剂的使用可适当提高铝的工作电位，比如选用LiBOB作为添加剂或者高浓度（4 M）LiFSI电解液，拓宽工作电压，可防止铝腐蚀。但是，目前对于铝集流体在高压（5 V）以上使用的腐蚀研究较少。

图3 三个方面探讨铝腐蚀的防护策略

从三个方面探讨铝腐蚀的防护策略。提高铝金属的自身抗腐蚀性是防护的基本原则。铝本身的纯度、合金化和铝的钝化层是影响铝腐蚀过程的关键因素。电解液是降低金属铝腐蚀的关键，可通过产生有效腐蚀钝化层或者降低电解液本身腐蚀性的方法阻止腐蚀。电解液主要包含锂盐、溶剂以及添加剂。锂盐直接影响电解质的腐蚀性质，从锂盐的种类、锂盐的混合物和锂盐的浓度三个方面研究了电解液中锂盐对铝腐蚀的影响。溶剂对铝集电体的钝化起着至关重要的作用。碳酸酯基和醚基是目前主要采用的两类溶剂。在碳酸酯基电解质中，介电常数性能影响铝的腐蚀速率。在醚基电解质中，醚基溶剂具有相对较低的工作电压窗口，因此增加醚类溶剂的工作电压窗口是关键任务。改变醚基溶剂的化学结构将有助于降低腐蚀性。添加剂在含量较少时也会极大降低腐蚀性。为了获得更高的正极防腐蚀电位，缓蚀剂的使用将成为最后的屏障。通过物理或化学方法防止铝集流体与电解质之间的腐蚀。典型的缓蚀剂剂材料，包括石墨烯和类石墨烯材料、无机材料和导电聚合物层。

随着储能技术的进步，铝集流体面临新的发展方向。一是功能化铝集流体的设计，功能化的铝集流体包括阻燃、散热、提高安全性和柔性等特性；二是铝集流体在锂离子电池之外的应用，铝箔还可用作钠离子电池、钾离子电池、水性锂离子电池、固态电池和超级电容器中的集流体。在上述电池中，铝腐蚀问题仍然存在，用于抑制锂离子电池中铝腐蚀的策略也同样适用。

总结与展望

本综述介绍了铝腐蚀机理及其影响因素和保护策略方面取得的进展。尽管到目前为止已经取得了巨大的进展，但仍有许多迷雾和挑战需要在未来进行持续的研究：通过理论计算和实验相结合的方法来解释铝的腐蚀机理。开发原位表征技术，进一步探索LIBs中铝的腐蚀机理。开发关于缓蚀剂、电解质和铝集流体的新型高性能材料。探索锂离子电池在极端恶劣工作条件下的铝腐蚀问题。阐明腈和砜基高压电解质对铝腐蚀的影响。

责任编辑

董友扣   中国地质大学

肖梅玲   中国科学院长春应用化学研究所

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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2023.100030

本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第1卷第2期以Review发表的“Corrosion and protection of aluminum current collector in lithium-ion batteries” (投稿: 2023-04-04；接收: 2023-06-17；在线刊出: 2023-08-30)。

DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2023.100030

引用格式：Shi X., Zhang H., Zhang Y.,  et al. (2023). Corrosion and protection of aluminum current collector in lithium-ion batteries. The Innovation materials 1(2), 100030.

作者简介

李 磊，博士，教授，2015年毕业于美国莱斯大学化学专业，之后进入美国西北大学材料科学与工程系从事博士后研究，2018年入职西安交通大学材料科学与工程学院。多年来致力于功能材料设计、制备及其在能源领域应用的研究工作，相关成果发表在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater. 等一系列国际权威期刊70余篇，申请中国、美国发明专利多项，其中两项已成功转化。

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