福建理工大学陈汀杰/华南农业大学杨宇/大湾区大学常建 AEM：用于高能量密度和高安全性锂硫电池的低剂量阻燃无机聚合物粘合剂

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发展中的电动汽车和便携式电子产品迫切需要高能量密度和高安全性的可充电锂电池。锂硫（Li-S）电池在高能量密度方面具有显著优势。聚合物粘结剂作为电极不可或缺的组成部分，在整合电极和确保集流体、导电剂和活性材料的界面之间的紧密接触以确保电池的可重复使用方面发挥着重要作用。然而，传统聚合物粘合剂的使用面临着巨大的挑战，如可溶性多硫化物体积变化大、电极易燃等，从而导致性能下降和安全隐患。

近年来，各种具有极性官能团的水性粘结剂越来越受到关注，并在电化学性能方面取得了重大进展。然而，上述性能的提升是基于使用大量粘结剂（通常约10 wt.%）而实现的。由于粘结剂通常是不导电的，增加用量会导致更高的电池内阻，并减缓氧化还原反应。同时，粘结剂通常是非活性组分，不会产生容量。因此，有必要减少粘结剂的用量。然而，这样的尝试将导致电极的结构的恶化和循环期间的严重穿梭效应。

福建理工大学陈汀杰/华南农业大学杨宇/大湾区大学常建团队，受无机聚合物聚磷酸铵阻燃粘结剂的启发，合作设计了一种具有阻燃性能的无机聚合物粘结剂。氢氧化铝[Al(OH)₃]和磷酸（H₃PO₄）两者都包含大量含氧官能团且具有非常优异的阻燃性能，因此，本文首次通过水热反应将Al(OH)₃和H₃PO₄进行交联，制备了一种无机多功能聚磷酸铝（AP）粘结剂，并将其用于锂硫（Li-S）电池，实现Li-S电池的高能量密度、长循环稳定性和可靠安全性。所制备的AP粘结剂富含极性基团可提供强机械性能以缓解循环过程中的体积变化，促进Li离子的扩散，并吸附多硫化物以抑制穿梭效应。同时，AP粘结剂还含有大量磷酸或氢氧化铝，这两者都是良好的阻燃剂，可以为硫电极提供阻燃性，并显著提高电池的安全性。研究得出，AP粘结剂能确保硫电极以2 wt%的极低用量实现高阻燃性。因此，阻燃硫电极可以稳定运行，具有高比容量（1190 mAh g^-1）、500 次循环期间的高容量保持率（>99.1%）和出色的速率能力（3 C）。基于整个电池，软包Li-S全电池具有高容量（3.6 mAh cm^-2）、高电池能量密度（415 Wh kg^-1和 297 Wh L^-1）和高容量保持率（>99.8%）。

图1 无机聚磷酸铝粘结剂的分子结构、工作原理和阻燃机理

图2 聚合磷酸铝无机粘结剂的合成与表征

图3 AP粘结剂对可溶性多硫化物的吸附性能

图4 AP粘结剂与活性/导电/集流体材料之间的相互作用

图5 AP粘结剂基电极阻燃性能的表征

图6 锂硫电池的电化学性能

文献链接：A Low-Dosage Flame-Retardant Inorganic Polymer Binder for High-Energy-Density and High-Safety Lithium-Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials. 2024. 

https://doi.org/10.1002/aenm.202401568

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