《AFM》地質大孫睿敏/武理工麥立強：水溶性交聯(lián)功能膠粘劑用于低成本和高性能鋰硫電池

非金非土非木

2021年7月26日 13:23

【摘要】

粘合劑在電池系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。由于硫的體積變化大和穿梭效應，鋰硫（ Li-S ）電池的循環(huán)性能較差。最近，中國地質大學孫睿敏教授與武漢理工大學麥立強教授合作團隊通過明膠和硼酸之間的交聯(lián)作用制備了一種新型水溶性功能粘合劑（命名為 GN-BA ）。優(yōu)良的粘合劑可以有效地保持集成電極穩(wěn)定，緩沖體積變化，防止活性材料從集流體上脫落，并通過化學鍵固定多硫化物。

《AFM》地質大孫睿敏/武理工麥立強：水溶性交聯(lián)功能膠粘劑用于低成本和高性能鋰硫電池的圖1

這種粘合劑中的硫電極還表現(xiàn)出松散堆疊的多孔結構，這有利于電解質滲透和快速離子擴散。 X 射線光電子能譜、紫外 - 可見光譜和密度泛函理論計算進一步驗證了粘合劑可以通過形成 B-O-Li 、 C-O-Li 和 C-N-Li 化學鍵來錨定多硫化物。在 0.5 C 下，可以獲得 980 mAh g ^-1 的高初始容量，高于使用傳統(tǒng)聚偏二氟乙烯粘合劑的硫正極。當硫負載量高達 5.0 mg cm ^-2 時，實現(xiàn)了 5.7 mA h cm ^-2 的高面積比容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究為構建先進的粘合劑提出了一種經濟且環(huán)保的策略，并促進了高能鋰硫電池的實際應用。相關論文以題為 Water-Soluble Cross-Linking Functional Binder for Low-Cost and High-Performance Lithium–Sulfur Batteries 發(fā)表在《 Advanced Functional Materials 》上。

【主圖導讀】

《AFM》地質大孫睿敏/武理工麥立強：水溶性交聯(lián)功能膠粘劑用于低成本和高性能鋰硫電池的圖2

圖1 a）傳統(tǒng)PVDF粘合劑在循環(huán)過程中會發(fā)生大的體積變化、活性材料剝離和多硫化物溶解的示意圖。b) GN-BA 交聯(lián)粘合劑的示意圖，該粘合劑可在電化學過程中通過配位效應有效保持電極穩(wěn)定并錨定多硫化物。c) GN-BA 和 GN 粘合劑的 FTIR 光譜。d) GN-BA 交聯(lián)粘合劑的簡化分子結構。

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圖2 表征 GN-BA 和多硫化物之間的結合效應。 a) 照片和 b) 不同粘合劑/CB 復合材料吸附的多硫化物溶液的紫外-可見光譜。c) GN-BA (90V10) 粘合劑吸附多硫化物前后的 XPS 光譜調查。d) GN-BA (90V10)/Li ₂ S ₆ 的 Li 1s 峰，e) B 1s 峰和 f) GN-BA (90V10) 和 GN-BA (90V10)/Li ₂ S ₆ 的 N 1s 峰的高分辨率 XPS 光譜。

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圖3 a) 不同粘合劑的溶脹率。b) 不同粘合劑的水凝膠特性。具有 c) PVDF、d) GN 和 e) GN-BA (90V10) 粘合劑的硫正極的 SEM 圖像。

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圖4 不同粘合劑的鋰硫電池的電化學性能。 a) 0.5 C 時的典型充放電曲線。b) 0.5 C 時的循環(huán)性能。c) 倍率性能。d) GN-BA (90V10) 在 0.05 mV s ^-1 掃描速率下的 CV 曲線。e) 1 C 高倍率下的循環(huán)性能。

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圖5 不同硫負載量的S@GN-BA電極的電化學性能。 S@GN-BA (90V10) 電極的充放電曲線，a) 2.1 mg S cm ^-2 和 b) 5.0 mg S cm ^-2 。c) S@GN-BA (90V10) 電極在 0.2 C 下不同硫負載量的循環(huán)性能。

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圖6 a) Li ₂ S ₆ 和 Li ₂ S 與 GN-BA 中各種官能團的計算結合能。 b) Li2S6 和 c) Li ₂ S 的優(yōu)化結構分別被 BA 中的 B-OH 和 -CONH- 、 -COOH 、 -NH ₂ 、 B-OH/-NH ₂ 在 GN-BA 中吸收。

【總結】

通過 GN 與 BA 之間的交聯(lián)作用，形成 B-N 鍵，制備了一種新型低成本高性能粘合劑（ GN-BA ）。這種粘合劑結合了優(yōu)異的附著力和分散能力、有效錨定多硫化物的能力以及穩(wěn)定的交聯(lián)結構。此外， GN-BA 粘合劑中的硫電極呈現(xiàn)松散堆疊的多孔結構，有利于液體電解質的滲透，可以實現(xiàn)快速的離子擴散。由于這些優(yōu)點，具有 GN-BA 粘合劑的硫電極實現(xiàn)了優(yōu)異的電化學性能。當硫負載量高達 5.0 mg cm ^-2 時，獲得了 5.7 mA h cm ^-2 的高面積比容量和增強的循環(huán)性能。系統(tǒng)研究了 GN-BA 粘合劑在 Li-S 電池中的作用。XPS 測量和 DFT 計算有力地證明了 GN-BA 可以通過形成化學鍵有效地吸附多硫化物。此外，GN-BA 粘合劑具有成本效益和環(huán)境友好的特點，顯示出巨大的實際應用潛力。這些發(fā)現(xiàn)為使用這些先進粘合劑開發(fā) Li-S 電池奠定了良好的基礎，并為低成本電池系統(tǒng)在大規(guī)模儲能中的應用開辟了新途徑。

參考文獻：

doi.org/10.1002/adfm.202104858

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