面向世界科技前沿 | 浙工大郑司雨/杨晋涛团队构建高性能两性离子聚合物粘结剂
锂硫电池因其高理论比容量（1675mAh g-1）、高理论能量密度（2600Wh kg-1）和丰富的硫资源成为最具潜力的储能装置之一。然而锂硫电池商业化过程中仍然存在一系列挑战，包括：1）在电池充放电过程中由中间产物多硫化锂（LiPSs）的溶解、迁移所形成的穿梭效应；2）在电极氧化还原反应过程中硫正极的体积膨胀及应用环境的持续振动对电极的持续冲击、损伤。值得一提的是，当极片载硫量上升时，上述问题还会被进一步放大。粘结剂作为硫正极的重要组成部分，其功能是将活性物质硫、导电添加剂和集电器牢固地结合在一起。事实上，通过对粘结剂进行合理设计可有望同时缓解穿梭效应和保持电极结构完整。
近日，我校材料科学与工程学院郑司雨副研究员和杨晋涛教授团队开发了一种由聚（4-（4-乙烯基苄基）-4H-1,2,4-三唑）（PVBT）的亲电解质软段和聚（3-（1-（4-乙烯酰基苄基）-1H-咪唑-3-鎓-3-基）-丙烷-1-磺酸盐）（PVBIPS）的疏电解质硬段组成的聚合物粘接剂（表示为PVBST，图1）。PVBST的弹性和粘性被调控至一种微妙平衡的状态，具体的流变学表现为损耗模量与储能模量在较宽的频率范围内达到高度重合，从而产生了高损耗因子（tanδ>1、10-7-103 Hz）。值得一提的是，弹性单元有助于粘接剂抵抗大变形并提供链段回弹能力，粘性单元则有助于和被粘物质表面共形、作用以及耗散能量。正是这种独特的粘弹平衡赋予了粘接剂：1）高粘附强度以维持硫正极的结构完整；2）在宽频范围内具有优异的阻尼性能以防止环境中的机械波或内部活性物质膨胀损伤极片；3）高断裂能和显著的钝化行为以抵抗现有裂纹的动态扩展；4）自愈合能力以修复存在的裂纹。此外硬段PVBIPS所悬挂的两性离子基团可吸附LiPSs、抑制穿梭效应，并促进离子的传输。基于上述优点，相应组装制得的锂硫电池展现出优异的倍率性能，电池在1 C下可以提供902.0 mAh g-1的高放电比容量。同时，电池具有较好的长循环性能，其在250次连续循环后仍具有高容量保持率。此外，即使在6.4 mg cm-2高硫负载下，电池仍在0.1 C时具有理想的面容量（6.26 mAh cm-2），且具备良好的循环稳定性。
PVBST聚合物粘结剂的结构功能设计理念
相关成果以“A Highly Damping, Crack-Insensitive and Self-Healable Binder for Lithium-Sulfur Battery by Tailoring the Viscoelastic Behavior”为题于2024年2月27日发表于国际TOP期刊《Advanced Energy Materials》，浙江工业大学为第一单位，浙江工业大学硕士研究生司梦捷，清华大学硕士研究生简显沣和浙江工业大学硕士研究生谢宇为论文共同第一作者，浙江工业大学郑司雨副研究员为通讯作者。论文主要作者还包括材料科学与工程学院的杨晋涛教授和刘育京教授。
文章链接
https://doi.org/10.1002/aenm.202303991
学者介绍
郑司雨
副研究员，硕士生导师。主要围绕两性离子单体设计开发新型高韧性智能凝胶，并研究其在生物医用和新能源材料等领域的应用。迄今在Sci. Adv., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. (5), Matter, Macromolecules (3), Chem. Mater., Nano Energy等高水平期刊上发表论文共计43篇，总影响因子459；其中以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文27篇。编写学术章节2部。申请国家发明专利15项，已授权9项。承担国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目、教育部重点实验室开放基金项目和企业横向技术委托课题等多项项目。
杨晋涛
教授，工学博士，博士生导师。长期致力于聚合物加工改性、超临界二氧化碳发泡材料、超润滑、抗菌、智能相应等功能涂层材料等领域研究。主持国自然基金4项、主持浙江省自然基金重点项目1项、浙江省钱江人才项目1项、浙江省重点研发计划项目1项，企业横向项目10余项。获浙江省自然科学奖三等奖，入选浙江省青年学术带头人培养计划。在Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J, ACS Appl. Mater. Interfaces, Macromolecules等国际权威期刊发表学术论文100余篇，获授权国家发明专利14项。
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