鋰離子電池粘結劑電化學機理模擬與表征辦法研究

電動車等大規模儲能使用的高速發展對鋰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包件進行優化，包括電極材料、電解液以及粘結劑。傳統鋰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。在制備電池電極時，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，電化學反應萌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緊要。

近日，應邀于美國化學會（ACS）的著名期刊AccountsofChemicalResearch,德克薩斯大學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表的關于新型鋰電池粘結劑系統的合成、使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，分解了研究粘結劑電化學機理的模擬與表征辦法，最后展望了將來多功能電池粘結劑的發展（圖1）。

圖1新型鋰電池粘結劑的材料與結構設計以及機理研究

文章首先解析了具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結劑中的使用。它們能與活性材料萌生較強的結合力，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，基于絕緣聚合物的粘結劑系統依然需要導電添加劑的使用，妨礙了電池能量密度的進一步提升。與此不同，基于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，發展了具有三維網絡結構的導電高分子凝膠，并將其使用于電池粘結劑中（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使電子和離子在電極中的傳輸，還能提升電極的穩定性，并改善活性顆粒的平均分布。

文章持續解析了粘結劑機理研究方面的工作，包括模擬計算以及先進表征手段的使用，并總結了將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使用。（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使用

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