粘結(jié)劑在電池系統(tǒng)中起著重要的作用。鋰硫（Li-S）電池在充放電過程中由于硫體積變化大以及多硫化物溶解等問題，循環(huán)性能較差。傳統(tǒng)的聚偏氟乙烯（PVDF）粘結(jié)劑的粘結(jié)性能通常是通過鏈間范德華力實(shí)現(xiàn)的，而鏈間范德華力較弱，導(dǎo)致重復(fù)循環(huán)過程中極片易在有機(jī)電解液中發(fā)生溶脹行為，電極結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。此外，PVDF需溶解在有毒、易揮發(fā)、易燃的有機(jī)N -甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶劑中，造成環(huán)境污染。為了提高Li-S電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性，有必要設(shè)計(jì)擁有高導(dǎo)電性、與多硫化物存在化學(xué)吸附作用以及良好力學(xué)性能的新型水溶性多功能粘結(jié)劑。本研究成功設(shè)計(jì)制備了一種新型水溶性交聯(lián)功能粘結(jié)劑（GN-BA）用于Li-S電池，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)性能的大幅提升。此外，該粘結(jié)劑具有成本低、環(huán)境友好、制備方法簡單等優(yōu)點(diǎn)。
中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）孫睿敏特任教授與武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授課題組利用明膠GN與硼酸BA的交聯(lián)作用，制備了一種新型水溶性功能粘結(jié)劑GN-BA。將該粘結(jié)劑應(yīng)用到Li-S電池中，能有效保持循環(huán)過程中電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，緩沖體積變化，防止活性材料從集流體上脫落，并通過化學(xué)鍵合作用錨定多硫化物，有效抑制“穿梭效應(yīng)”。應(yīng)用這種粘結(jié)劑制備的硫電極也展現(xiàn)出松散的多孔結(jié)構(gòu)，有利于電解液的滲透和離子快速傳輸。XPS、UV-vis和DFT計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證該粘結(jié)劑可通過形成B-O-Li、C-O-Li和C-N-Li化學(xué)鍵來錨定多硫化物。將普通硫粉、導(dǎo)電炭黑與不同粘結(jié)劑簡單混合進(jìn)行電化學(xué)性能測試，使用該粘結(jié)劑硫正極的電化學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于用傳統(tǒng)PVDF粘結(jié)劑的硫正極。當(dāng)硫載量高達(dá)5.0 mg cm-2時，面積比容量為5.7 mAh cm-2，并且擁有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。本研究為先進(jìn)粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)構(gòu)筑提供了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、便捷有效的策略。該成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）孫睿敏教授（特任）為本文第一作者和通訊作者，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授為通訊作者。
圖1. a）傳統(tǒng)PVDF粘結(jié)劑循環(huán)過程示意圖，循環(huán)過程中會發(fā)生大體積變化，活性物質(zhì)脫落，發(fā)生多硫化物溶解。b) GN-BA交聯(lián)粘結(jié)劑循環(huán)過程示意圖，在循環(huán)中，能有效保持電極穩(wěn)定并通過配位效應(yīng)錨定多硫化物。c) GN-BA和單一GN粘結(jié)劑的FTIR光譜圖。d) GN-BA交聯(lián)粘結(jié)劑簡化分子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2. GN-BA與多硫化物結(jié)合作用的表征。a)不同粘結(jié)劑/CB復(fù)合材料吸附多硫化物溶液的照片和b) UV-vis光譜。c) GN-BA (90V10)粘結(jié)劑吸附多硫化物前后的XPS圖譜。d) GN-BA (90V10)/Li2S6的Li 1s峰，e) GN-BA (90V10)和GN-BA (90V10)/Li2S6的B 1s和f) N 1s峰。
圖3. a)不同粘結(jié)劑的溶脹率。b)不同粘結(jié)劑的水凝膠性能。采用不同粘結(jié)劑制備的硫正極SEM圖像：c) PVDF, d) GN, e) GN-BA(90V10)
圖4. Li-S電池電化學(xué)性能。(a) 0.5 C充放電曲線，(b) 0.5 C時循環(huán)性能和(c)倍率性能。(d) GN-BA (90V10)在0.05 mV s-1掃描速率下的CV曲線。(e) 1C高倍率下的循環(huán)性能
圖5. 高負(fù)載量S@GN-BA電極的電化學(xué)性能。S@GN-BA(90V10)電極的充放電曲線: a) 2.1 mg S cm-2,b) 5.0 mg S cm-2。c) 0.2 C下不同硫載量S@GN-BA (90V10)電極的循環(huán)性能
圖6. a) GN-BA中不同官能團(tuán)與Li2S6和Li2S之間的結(jié)合能計(jì)算。(b) Li2S6和(c)Li2S被GN-BA中B-OH，-CONH-, -COOH, -NH2, B-OH/-NH2基團(tuán)吸附的優(yōu)化結(jié)構(gòu)
通過GN與BA之間的交聯(lián)作用，形成B-N鍵，制備了一種新型的低成本高性能粘結(jié)劑GN-BA。該粘結(jié)劑具有良好的粘接分散能力、有效的多硫化物錨定能力和穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。此外，采用GN-BA粘結(jié)劑制備的硫電極呈現(xiàn)疏松堆積的多孔結(jié)構(gòu)，有利于液體電解液的滲透，可實(shí)現(xiàn)離子的快速傳輸，擁有優(yōu)良的電化學(xué)性能。當(dāng)硫載量為5.0 mg cm-2時，具有較高的面積比容量(5.7 mA h cm-2)和長循環(huán)穩(wěn)定性。XPS測試和DFT計(jì)算有力地證明了GN-BA能通過形成化學(xué)鍵有效吸附多硫化物。此外，GN-BA粘結(jié)劑具有成本效益高、環(huán)境友好等特點(diǎn)，具有很大的實(shí)際應(yīng)用潛力。這些發(fā)現(xiàn)為先進(jìn)粘結(jié)劑的開發(fā)應(yīng)用奠定了良好的科學(xué)基礎(chǔ)，為低成本儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用開辟了新的路徑。
論文鏈接：Water-Soluble Cross-Linking Functional Binder for Low-Cost and High-performance Lithium-Sulfur Batteries”
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104858
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