中科院物理所禹习谦研究员：高比能锂电池功能性粘结剂设计 |
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一、文章导读 粘结剂虽然在电极中质量占比很低（~5 wt.%），却发挥了至关重要的作用。电极各组分通过粘结剂粘接在一起，可以在长循环过程中保持结构稳定。PVDF粘结剂在传统电池体系中（例如：钴酸锂/石墨）表现出优异性能。但随着人们对高能量密度电池的持续探索，各种新型高比能正负极材料不断涌现。例如，高压钴酸锂、高镍三元、富锂锰基等高容量正极材料和硅基负极、金属锂等高容量负极材料。这些高比能体系带来的一系列新的挑战，迫切需要开发具有更高性能的粘结剂材料。（1）超高电极材料负载量。提高电极载量是提高能量密度最直接的方式之一，但是更厚的电极对粘结剂的粘附力要求也更高；（2）大体积形变。硅负极超过300%的体积形变要求粘结剂也能够承受对应的超大形变量；除此之外还有（3）高电压充电带来的电极界面恶化；（4）低电子电导和离子电导导致较差的倍率性能；（5）极端条件下的热安全性和可操作性；（6）对不同体系（固态电解质）的工艺兼容性等。 近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心禹习谦研究员团队总结了针对高比能锂电池功能性粘结剂开发的分子设计策略。首先对常用粘结剂（PVDF、PTFE、PAA、SBR、PEO、CMC、Alginate）的性能参数进行了比较（图1）、并概述了文献报道的针对新型粘结剂在提升黏附性和机械强度（图2）、适应体积膨胀（图3）、缓解界面退化（图4）、提升电子电导（图5）、提升离子电导（图6）、提升热安全和宽温域可操作性（图7）和提升电极均质性（图8）等方面的代表性研究工作。最后总结并展望了功能性粘结剂的设计思路和研发方向。 图文摘要：功能性粘结剂设计二、本文亮点 1. 系统比较了现有7种粘结剂的性能优劣，为新型粘结剂分子设计提供了思路。 2. 从7个方面，分别阐述了粘结剂失效机理并总结了目前文献报道的高比能锂电池功能性粘结剂设计的代表性工作。 3. 针对高比能电池体系的关键问题，从粘结剂材料设计方面提出了相应的解决方案（图9）。 三、图文解读 图1. 常用7种粘结剂（PVDF、PTFE、PAA、SBR、PEO、CMC、Alginate）在黏附性、拉伸强度、弹性、溶胀性、离子电导率、热稳定性和抗氧化性方面的比较。图2.（a）粘结剂黏附性失效机理和提升黏附性的改性方法（b，c，d）引入邻二苯酚官能团，（h，i，j）引入物理交联作用形成双螺旋结构，（k，l，m）软硬链段结合。图3.（a，b）体积变化导致的电极失效和粘结剂失效机理。适应体积变化的改性方法（c，d，e）提升分子间相互作用，（f，g，h）特殊分子设计（轮环结构），（i，j）软硬链段结合，（k，l，m）主客体相互作用。图4. 改善高压正极界面恶化的粘结剂设计策略。图5.（a）活性物质失去电子通路示意图，（b）导电子粘结剂能带结构和分子共轭结构。（c-l）导电子粘结剂设计策略。图6.（a）粘结剂导离子机理，（b-l）导离子粘结剂设计策略。图7.（a）粘结剂热分解行为。（b-m）设计新型粘结剂提高电池热安全和宽温域操作性的设计策略。图8. 通过粘结剂设计（a-c）促进硅碳分散均匀性，（d-e）促进电解液浸润性，（f-h）兼容干法工艺，（i-m）兼容硫化物固态电解质。图9. 高比能体系面临的7种主要问题，对应的粘结剂设计策略总结。四、总结与展望 本文总结了高比能面临的问题以及对应的粘结剂分子设计策略。虽然目前取得了许多进展，但依然存在许多挑战：（1）粘结剂的构效关系依然复杂，如何构建有效的分子结构和粘结剂性能之间的对应关系依然存在挑战。（2）粘结剂失效机理依然不清晰，由于聚合物分子在电极内部含量少，基本都是轻原子，所以表征困难，需要利用更多的先进表征和模拟计算方法来探究内在的失效机理。总之，为适应不断发展的高比能正负极材料，新型粘结剂的设计也需要不断探索。 五、作者简介 通讯作者：禹习谦禹习谦，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。主要从事高能量密度锂电池/固态电池及关键材料/技术开发、先进表征和电池失效分析等研究工作。目前已在Nat. Energy、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Energy Mater.等期刊发表论文200余篇，总被引23600余次。入选2022年科睿唯安高被引科学家榜单和2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。 通讯作者：李泉李泉，中国科学院物理研究所博士后。主要从事高比能锂电池相关研究，锂金属负极以及电极界面分析相关研究。 第一作者：覃天覃天，中国科学院物理研究所硕士研究生。主要研究方向：锂离子电池粘结剂设计和电解液开发。 第一作者：杨浩一杨浩一，中国科学院物理研究所博士后。主要研究方法：锂离子电池电极/电解液界面。 六、文章信息 本文来自中国科学院物理研究所禹习谦研究员团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：Design of functional binders for high-specific-energy lithium-ion batteries: from molecular structure to electrode properties 引用信息: Ind. Chem. Mater., 2023, DOI: https://doi.org/10.1039/D3IM00089C 期刊简介： Industrial Chemistry & Materials (ICM) 是由中国科学院主管，中科院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由中科院过程工程研究所张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。 期刊网站: rsc.li/icm 投稿网址: https://mc.manuscriptcentral.com/icmat 联系邮箱: [email protected]; [email protected] 联系电话: 010-82612330 Twitter & Facebook: @IndChemMater Linkedin: https://www.linkedin.com/company/industial-chemistry-materials/ 公众号：ICM工业化学与材料 |
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