余桂華課題組Acc.Chem.Res.：用於高能量高功率鋰離子電池新型粘結劑的材料與結構設計

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電動汽車等大規模儲能應用的高速發展對鋰離子電池的性能提出了更高的要求。高性能電池系統的發展需要對每一個電池組件進行優化，包括電極材料、電解液以及粘結劑。傳統鋰離子電池的粘結劑系統由絕緣聚合物和導電添加劑的混合物組成。在製備電池電極時，導電相和活性材料隨機分布，通常會導致較差的電子和離子傳輸能力。當使用高容量電極材料時，電化學反應產生的高應力會破壞傳統粘結劑系統的機械完整性，導致電池的循環壽命下降。因此，設計能夠提供穩定、低阻、連續的內部通路以連接電極的所有區域的新型粘結劑系統至關重要。

近日，受邀於美國化學會（ACS）的著名期刊Accounts of Chemical Research，美國德克薩斯大學奧斯汀分校（UT Austin）的余桂華教授和石燁博士、博士生周星怡基於近期發表的關於新型鋰離子電池粘結劑系統的合成、應用以及機理研究方面的工作，系統總結了高性能粘結劑體系材料與結構設計的最新進展，分析了研究粘結劑電化學機理的模擬與表徵方法，最後展望了未來多功能電池粘結劑的發展（圖1）。

圖1. 新型鋰離子電池粘結劑的材料與結構設計以及機理研究。圖片來源：Acc. Chem. Res.

文章首先介紹了具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結劑中的應用。它們能與活性材料產生較強的結合力，使電極材料在電化學反應中保持結構穩定，從而達到高容量以及優異的循環性能（圖2a）。然而，基於絕緣聚合物的粘結劑系統仍然需要導電添加劑的使用，阻礙了電池能量密度的進一步提升。與此不同，基於導電聚合物的多功能粘結劑能同時起到粘合以及導電作用，從而得到了廣泛的研究。在一系列研究中，研究人員通過在主鏈上引入不同功能基團對導電聚合物進行分子結構的調控，在不影響電學特性的前提下，提升了粘結劑的機械以及溶脹性能（圖2b）。余桂華課題組則通過對導電聚合物微結構的調控，發展了具有三維網路結構的導電高分子凝膠，並將其應用於電池粘結劑中（圖2c）。這種導電高分子凝膠的結構與性質高度可調，其三維結構不僅可以促進電子和離子在電極中的傳輸，還能提升電極的穩定性，並改善活性顆粒的均勻分布。文章繼續介紹了粘結劑機理研究方面的工作，包括模擬計算以及先進表徵手段的應用，並總結了未來新型粘結劑系統的設計準則。

圖2. （a）具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結劑中的應用。（b）通過在主鏈上引入不同功能基團對導電聚合物粘結劑進行分子結構的調控。（c）導電高分子凝膠的合成以及在新一代電池粘結劑中的應用。圖片來源：Acc. Chem. Res.

文章還展望了未來多功能電池粘結劑的合成與應用。通過分子設計以及複合材料的合成，更多的功能可以被引入電池粘結劑系統中，包括自修復性能、柔性、可拉伸性能以及環境響應性。已經有研究證明具有自修復性能的粘結劑能有效提升電池壽命。近期，余桂華課題組發展了同時具有導電以及自修復性能的複合凝膠材料，可作為未來的多功能電池粘結劑，以提高電池性能（圖3）。同樣的，其他具有優異機械性能以及環境響應性的新型粘結劑可用於發展柔性電池以及可自調控的安全電池。