高能量高功率鋰離子電池新型粘結(jié)劑的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車等大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的高速發(fā)展對(duì)鋰離子電池的性能提出了更高的要求。高性能電池系統(tǒng)的發(fā)展需要對(duì)每一個(gè)電池組件進(jìn)行優(yōu)化，包括電極材料、電解液以及粘結(jié)劑。傳統(tǒng)鋰離子電池的粘結(jié)劑系統(tǒng)由絕緣聚合物和導(dǎo)電添加劑的混合物組成。在制備電池電極時(shí)，導(dǎo)電相和活性材料隨機(jī)分布，通常會(huì)導(dǎo)致較差的電子和離子傳輸能力。當(dāng)使用高容量電極材料時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)破壞傳統(tǒng)粘結(jié)劑系統(tǒng)的機(jī)械完整性，導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命下降。因此，設(shè)計(jì)能夠提供穩(wěn)定、低阻、連續(xù)的內(nèi)部通路以連接電極的所有區(qū)域的新型粘結(jié)劑系統(tǒng)至關(guān)重要。

近日，應(yīng)邀于美國(guó)化學(xué)會(huì)（ACS）的著名期刊Accounts of Chemical Research， 德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授（通訊作者）和石燁博士，周星怡博士生基于近期發(fā)表的關(guān)于新型鋰離子電池粘結(jié)劑系統(tǒng)的合成、應(yīng)用以及機(jī)理研究方面的工作，系統(tǒng)總結(jié)了高性能粘結(jié)劑體系材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，分析了研究粘結(jié)劑電化學(xué)機(jī)理的模擬與表征方法，最后展望了未來(lái)多功能電池粘結(jié)劑的發(fā)展（圖1）。

圖1 新型鋰離子電池粘結(jié)劑的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)理研究

文章首先介紹了具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結(jié)劑中的應(yīng)用。它們能與活性材料產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合力，使電極材料在電化學(xué)反應(yīng)中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而達(dá)到高容量以及優(yōu)異的循環(huán)性能（圖2a）。然而，基于絕緣聚合物的粘結(jié)劑系統(tǒng)仍然需要導(dǎo)電添加劑的使用，阻礙了電池能量密度的進(jìn)一步提升。與此不同，基于導(dǎo)電聚合物的多功能粘結(jié)劑能同時(shí)起到粘合以及導(dǎo)電作用，從而得到了廣泛的研究。

在一系列研究中，研究人員通過(guò)在主鏈上引入不同功能基團(tuán)對(duì)導(dǎo)電聚合物進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，在不影響電學(xué)特性的前提下，提升了粘結(jié)劑的機(jī)械以及溶脹性能（圖2b）。余桂華課題組則通過(guò)對(duì)導(dǎo)電聚合物微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，發(fā)展了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高分子凝膠，并將其應(yīng)用于電池粘結(jié)劑中（圖2c）。這種導(dǎo)電高分子凝膠的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)高度可調(diào)，其三維結(jié)構(gòu)不僅可以促進(jìn)電子和離子在電極中的傳輸，還能提升電極的穩(wěn)定性，并改善活性顆粒的均勻分布。

文章繼續(xù)介紹了粘結(jié)劑機(jī)理研究方面的工作，包括模擬計(jì)算以及先進(jìn)表征手段的應(yīng)用，并總結(jié)了未來(lái)新型粘結(jié)劑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

圖2 （a）具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結(jié)劑中的應(yīng)用。（b）通過(guò)在主鏈上引入不同功能基團(tuán)對(duì)導(dǎo)電聚合物粘結(jié)劑進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。（c）導(dǎo)電高分子凝膠的合成以及在新一代電池粘結(jié)劑中的應(yīng)用

文章還展望了未來(lái)多功能電池粘結(jié)劑的合成與應(yīng)用。通過(guò)分子設(shè)計(jì)以及復(fù)合材料的合成，更多的功能可以被引入電池粘結(jié)劑系統(tǒng)中，包括自修復(fù)性能、柔性、可拉伸性能以及環(huán)境響應(yīng)性。已經(jīng)有研究證明具有自修復(fù)性能的粘結(jié)劑能有效提升電池壽命。近期，余桂華課題組發(fā)展了同時(shí)具有導(dǎo)電以及自修復(fù)性能的復(fù)合凝膠材料，可作為未來(lái)的多功能電池粘結(jié)劑，以提高電池性能（圖3）。同樣的，其他具有優(yōu)異機(jī)械性能以及環(huán)境響應(yīng)性的新型粘結(jié)劑可用于發(fā)展柔性電池以及可自調(diào)控的安全電池。

圖3 具有自修復(fù)性能的粘結(jié)劑的合成以及在電池粘結(jié)劑中的前景應(yīng)用