Nature：具有高能量密度的無粘結劑片式全固態電池

使用無機固體電解質的全固態電池由於其安全性和長壽命而被認為是有前景的儲能系統。智能電網和電動汽車等工業應用迫切需要可堆疊和緊湊的片狀全固態電池。對於片式電池的構造來說，粘合劑通常是不可或缺的;但是，這會降低電池的功率和循環性能。

有鑒於此，MariYamamoto等人報告了第一個無粘合劑片狀電池的製造方法，這一發現的關鍵是使用基於揮發性聚（碳酸丙烯酯）的粘合劑來製造電極、固體電解質片以及層疊的三層片，這些粘合劑也可以通過熱處理除去。

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一、粘合劑去除策略

用粘結劑和溶劑分散硒、活性材料和導電添加劑，使正極和負極和硒片保持片狀形態，並通過堆疊製備三層片狀。最後，通過熱處理將粘結劑從三層片材中除去。

圖1活頁式電池的製造策略

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二、溶劑和脂肪族聚碳酸酯的探索

良好溶劑的要求是不應影響LPS的離子導電性，應溶解粘合劑，並有適度的蒸汽壓。研究團隊考察了不同溶劑對LPS的離子電導率的影響，評價了LPS的穩定性。

圖2溶劑和脂肪族聚碳酸酯的探索

溶劑供體數目增加至大於14時，溶劑暴露LPS顯示顯著降低離子電導率及其顏色變化從淺黃色到棕色和綠色。與此相反，當暴露於溶劑為9或更少的供體數量，如茴香醚、甲苯，LPS在顏色和電導率的變化可以忽略不計。由於供體數目較高的溶劑具有較高的供電子能力，所以研究團隊得出結論：供體數大於14的溶劑通過親核攻擊分解LPS，導致離子電導率下降。

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三、粘合劑去除對電池性能的影響

圖3a比較了使用所製備的含PPC3％重量的正極片構建的含有粘合劑的和不含粘合劑的正極半電池的初始充電-放電曲線，其平均放電電壓為3.04和3.15V，放電容量為123和151mAhg-1。

圖3粘合劑去除對電池性能的影響

研究團隊發現，通過去除PPC，RI值從638Ω大幅降低至14Ω，表明NCM和SE之間的接觸面積增加。

圖4電極中PPC含量對電池性能的影響

另外，由圖4可知，當PPC含量太低（約1重量％）時，正片易於碎裂。PPC含量應當通過組分的比表面積和活性材料，SE和導電添加劑的組成比例來調節，在這種情況下，製造正極片時，PPC含量約為3重量％是理想的。

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四、改進的速率能力和穩定的循環無粘結劑電池

圖5a比較了無粘合劑和含粘合劑的正半電池的倍率性能。在0.15mAcm-2的低電流密度下，兩種電池的測量容量（前者為153mAhg-1，後者為155mAhg-1）略有不同，與NCM的理論值相當。

圖5改善無粘合劑半電池的速率和循環性能

值得注意的是，隨著電流密度的增加，含粘結劑的電池顯示出容量迅速衰減，容量可忽略不計，15mAhg-1，從3.0mAcm-2。相反，無粘結劑的電池表現出顯著更高的容量，即使在3.0mAcm-2下也能提供?50mAhg-1。以低電流密度進一步循環使電池恢復至149mAhg-1的可逆容量。因此，我們得出結論：通過降低RI值，速率能力顯著提高。

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五、高電池能量密度的無粘合劑片狀電池的製造

上述無粘合劑的片狀全電池在350次循環後可以從模具中取出而不斷裂，表明其獨立特徵，並且通過SEM觀察其微觀結構（圖6）。估計正層，SE層和負層的厚度分別為74,59和134μm（圖6a）。儘管SE層相對較薄，但是正面和負極片成功堆疊在SE片的兩側而沒有短路。NCM顆粒均勻分散在SE基質中並與SE緊密接觸（圖6b）。

另外，在NCM顆粒之間不會通過壓縮來粉碎NCM在正層的橫截面圖中觀察到。SE層表現為幾乎完全密集的區域，沒有空隙，裂縫或晶界（圖6c）。類似地，在熱壓SE粒料中也觀察到平滑的橫截面。即使沒有加壓，通過在玻璃化轉變溫度附近的熱處理也可以促進SE顆粒的燒結。原來的球形石墨粉在垂直於電池製造中使用的外部壓力的方向上被劈開，與SE顆粒形成緊密堆積的複合物（圖6d）。

結語

這項研究的結果提供了一個新穎和獨特的過程，粘結劑去除導致增強的速度性能，優異的循環穩定性，以及在基於電池的能量密度比之前報道的片型電池增加2.6倍，因此這是實現高能量密度活頁式電池的第一步，並提供機會建立高性能板型ASSLBs不限於NCM /石墨ASSLBs。

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