用于高能量高功率锂离子电池新型粘结剂的材料与结构设计

电动汽车等大规模储能应用的高速发展对锂离子电池的性能提出了更高的要求。高性能电池系统的发展需要对每一个电池组件进行优化，包括电极材料、电解液以及粘结剂。传统锂离子电池的粘结剂系统由绝缘聚合物和导电添加剂的混合物组成。在制备电池电极时，导电相和活性材料随机分布，通常会导致较差的电子和离子传输能力。当使用高容量电极材料时，电化学反应产生的高应力会破坏传统粘结剂系统的机械完整性，导致电池的循环寿命下降。因此，设计能够提供稳定、低阻、连续的内部通路以连接电极的所有区域的新型粘结剂系统至关重要。

近日，应邀于美国化学会（ACS）的著名期刊Accounts of Chemical Research， 德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（通讯作者）和石烨博士，周星怡博士生基于近期发表的关于新型锂离子电池粘结剂系统的合成、应用以及机理研究方面的工作，系统总结了高性能粘结剂体系材料与结构设计的最新进展，分析了研究粘结剂电化学机理的模拟与表征方法，最后展望了未来多功能电池粘结剂的发展（图1）。

图1 新型锂离子电池粘结剂的材料与结构设计以及机理研究

文章首先介绍了具有丰富羧基的绝缘聚合物在电池粘结剂中的应用。它们能与活性材料产生较强的结合力，使电极材料在电化学反应中保持结构稳定，从而达到高容量以及优异的循环性能（图2a）。然而，基于绝缘聚合物的粘结剂系统仍然需要导电添加剂的使用，阻碍了电池能量密度的进一步提升。与此不同，基于导电聚合物的多功能粘结剂能同时起到粘合以及导电作用，从而得到了广泛的研究。

在一系列研究中，研究人员通过在主链上引入不同功能基团对导电聚合物进行分子结构的调控，在不影响电学特性的前提下，提升了粘结剂的机械以及溶胀性能（图2b）。余桂华课题组则通过对导电聚合物微结构的调控，发展了具有三维网络结构的导电高分子凝胶，并将其应用于电池粘结剂中（图2c）。这种导电高分子凝胶的结构与性质高度可调，其三维结构不仅可以促进电子和离子在电极中的传输，还能提升电极的稳定性，并改善活性颗粒的均匀分布。

文章继续介绍了粘结剂机理研究方面的工作，包括模拟计算以及先进表征手段的应用，并总结了未来新型粘结剂系统的设计准则。

图2 （a）具有丰富羧基的绝缘聚合物在电池粘结剂中的应用。（b）通过在主链上引入不同功能基团对导电聚合物粘结剂进行分子结构的调控。（c）导电高分子凝胶的合成以及在新一代电池粘结剂中的应用

文章还展望了未来多功能电池粘结剂的合成与应用。通过分子设计以及复合材料的合成，更多的功能可以被引入电池粘结剂系统中，包括自修复性能、柔性、可拉伸性能以及环境响应性。已经有研究证明具有自修复性能的粘结剂能有效提升电池寿命。近期，余桂华课题组发展了同时具有导电以及自修复性能的复合凝胶材料，可作为未来的多功能电池粘结剂，以提高电池性能（图3）。同样的，其他具有优异机械性能以及环境响应性的新型粘结剂可用于发展柔性电池以及可自调控的安全电池。

图3 具有自修复性能的粘结剂的合成以及在电池粘结剂中的前景应用