香港理工大学郑子剑课题组：锂硫和钠硫电池中粘结剂的合理设计
相比于传统锂离子电池正极材料，单质硫具有高理论比容量、价格低廉、环境友好等优势。硫正极材料与具有高理论比容量的碱金属锂、钠负极匹配有望得到高能量密度的电池（锂硫：2600 Wh kg-1, 钠硫：760 Wh kg-1），以满足电动汽车、便携电子设备等急剧增长的能量需求。尤其得益于钠的储量丰富，钠硫电池在智能电网上具有广阔应用前景。然而，硫作为正极材料在循环充放电过程中面临着一系列问题，如物理脱附，导电性差，多硫化物溶解穿梭和单质硫剧烈的体积膨胀等，造成了电池性能的急剧衰减。在锂硫和钠硫电池中，粘结剂对稳定硫正极扮演着至关重要的角色。尽管粘结剂在电极中通常只占≤10%，其能有效将不同的电极组分（硫，导电剂等）粘粘在集流体上以保证各组分的良好接触以及电极结构的完整，最终提高电池的循环容量、稳定性以及使用寿命。
香港理工大学郑子剑课题组撰写了题为“Rational Design of Binders for Stable Li-S and Na-S Batteries”的特邀综述，概述了近年来在锂硫和钠硫电池中粘结剂的功能及相应结构设计的发展历程，同时总结了粘结剂的结构设计与电池性能的关系，最后对其发展趋势进行了预测及展望。
图1硫正极粘结剂在锂硫和钠硫电池中的功能及其结构设计的发展进程
由于锂硫电池和钠硫电池基于相似的正极反应机理，其粘结剂的发展都遵循从单功能演变到双功能/多功能的趋势。起初，粘结剂主要发挥着结构稳定剂的基础作用，致力于保持电极结构稳定并抵抗反应时的体积变化。采用的聚合物要求其对硫具有强粘附力，并具有热力/电化学稳定性和力学强度。为了增强粘结能力以不断提高载流量，粘结剂的分子结构设计从带有极性官能团的直链结构（如PVDF,PEO）发展成各种支链结构。随着对硫正极多相反应机理的深入了解，粘结剂逐渐拓展到了具有双功能或多功能的特性。除了充当基本的结构稳定剂外，粘结剂可通过引入吸电子基团或阳离子基团进入分子链段，以实现化学吸附多硫化物的功能；或通过采用导电聚合物或者在分子主链引入导电链段，以实现高电子导电性的功能。在粘结剂的结构设计中，大量研究致力于结合并优化不同的结构功能化手段以平衡不同的性能（如粘结力和电子导电性），旨在最大化解决硫正极面临的多方面的问题。
图2 基于二维导电材料的导电粘结剂
相比于传统导电聚合物（如PANI, PEDOT, Ppy）在力学性能上的不足，二维导电材料具有高比表面积、高电子导电率，较多的多硫化物吸附位点以及力学柔性。近年来，二维导电材料如还原氧化石墨烯（rGO）及其功能化产物（如N,S掺杂）逐渐被开发作为新型的兼备粘结性、多硫化物固定能力和电子/离子导电性的多功能粘结剂。通过与传统直链粘结剂复合或掺杂修饰手段，二维导电材料的粘附力可得到很好的提高以适用于粘结剂。
图3 具有不同功能的粘结剂的结构设计与电池性能的关系
该综述首次总结了针对不同功能（结构稳定，多硫化物固定和电子导电）的粘结剂结构与电池性能的关系，对比了比容量、容量衰减速率、循环寿命、硫载量以及性能提高幅度（相比于PVDF）。此关系网络的构建为未来多功能粘结剂的结构设计提供了更多的思路。结合不同的结构设计策略（如支链结构，引入导电链段等），硫正极粘结剂有望实现其各功能的最大化，最终获得高性能电池（面容量≥6 mAh cm-2，容量保留量≥80%, 500圈）
该论文发表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2019, 1907931)上。论文的第一作者为香港理工大学博士生郭倩怡，通讯作者为郑子剑教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201907931
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