NML 综述︱锂硫电池中聚合物复合框架的固硫作用

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Housing Sulfur in Polymer Composite Frameworks for Li–S Batteries

Luke Hencz, Hao Chen, Han Yeu Ling, Yazhou Wang, Chao Lai, Huijun Zhao, Shanqing Zhang*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 17

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0249-1

    本文亮点     

1  介绍了锂硫电池研究中的主要技术问题：负载量，电解液添加量以及电池安全等问题。

2  介绍了锂硫电池中聚合物粘结剂的作用机理以及粘结剂和限硫载体的共同作用。

3 总结了粘结剂在无限硫载体体系的应用以及多功能粘结剂的设计原则。

         内容简介         

锂硫电池具有高比容量，是极具前景的下一代储能技术。另外，活性物质S储量丰富，价格便宜，在成本上比传统过渡金属氧化物负极更具优势。

然而，锂硫电极导电性差和循环体积变化，导致电池容量衰减。为了改善锂硫电池的电化学性能，最常用的方法是设计相应的限硫载体。而近几年，粘结剂在锂硫电池的应用引起越来越多的研究人员的关注。

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澳大利亚格里菲斯大学张山青教授在本文中重点讨论了粘结剂在聚合物复合框架中的作用。

首先，文章介绍了锂离子电池中的聚合物框架的粘结机理。并提出了锂硫电池研究中存在的挑战以及相关解决方案。最后，本文详细总结了聚合物粘结剂在限硫载体体系和无限硫载体体系的作用以及多功能粘结剂的研究现状和设计策略。

      图文导读      

锂离子电池中的粘结机理

电池电极制备过程中，粘结剂溶液和活性物质充分混合。在此过程中，粘结剂溶液进入活性物质颗粒表面的空隙中。在随后的干燥过程中，粘结剂、活性物质和集流体之间产生一定的黏附力，以确保电极的完整性。

如图1所示，该黏附力可以从两个方面解释：（1）机械嵌合：粘结剂溶液进入材料颗粒表面空隙中，随后干燥硬化形成粘结框架，从而形成黏附框架，以维持整个电极的完整性和稳定性。该宏观黏附作用力与电极材料表面的粗糙程度有关；（2）界面作用力：微观上界面作用力可分为分子间作用力、静电作用力和共价键作用。通过引入氢键提高界面的分子间作用力。同时，静电作用力和共价键都可以进一步提高界面的作用力强度。

图1 锂离子中聚合物粘结剂的作用机理

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限硫载体基复合结构

在限硫载体的结构设计体系中，传统粘结剂PVDF和PTFE可以提供足够的粘结力以维持电极的完整性。限硫载体主要包括碳材料、金属氧化物、金属硫化物和金属碳化物。

当限硫载体存在时，其它粘结剂同样可以应用于该体系，例如PAA、CMC/SBR和SA。这些粘结剂含有丰富的羟基和羧基官能团，可以提供更强的粘结力。当应用于锂硫电池时，这些粘结剂不仅可以维持电极的完整性，同时可以起到进一步固硫的作用。另外，引入粘结力更强的新型粘结剂有利于制备柔性电极和无支撑电极。

图2 限硫载体的结构设计示意图

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多功能复合结构

多功能粘结剂除了起到粘结剂的作用，还可以提供其它的功能，包括电子导电性和离子导电性，甚至是提供电化学活性。

常用的导电聚合物PEODOT:PSS, PANI 和PPy 可与其它粘结剂形成复合粘结剂以提高粘结剂的电子导电性。另外，通过分子结构设计，合成出具有导电性的多功能粘结剂，如图4中的PFM。

而加入离子导电性的粘结剂则可以提高粘结剂的离子传输能力，如Nafion、PEO等等。另外，引入具有氧化还原活性的粘结剂如BVPS可以提高锂硫电池的容量。

图4 (a)多功能粘结剂PFM与常用粘结剂PEDOT、PVP和PVDF的化学结构;(b-e)及锂硫电池的电化学性能

作者简介

张山青

（本文通讯作者）

教授

School of Environment and Science, Griffith University

多年来张山青教授致力于纳米传感器与各种储能以及光伏器件研究。近年来，其致力于锂离子与钠离子电池的研究，通过使用水性天然粘合剂及设计新一代有各种官能团的粘合剂来增强电池粘合剂的力学及离子、电子导电性，从而增强电池的电化学和循环性能。多项研究成果刊登在《Chemical Reviews》(IF:52.613),《Energy & Environmental Science》(IF:30.067),《Advanced Energy. Materials》(IF:21.875),《Journal of the American Chemical Society》(IF:14.357),《Nano Letter》(IF:12.080)等国际著名期刊发表论文110余篇。Email: [e-mail]

Luke Hencz

（本文第一作者）

博士研究生

School of Environment and Science, Griffith University

主要研究方向：锂硫电池，粘结合成

Email: [e-mail]

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