用于高能量高功率锂离子电池新型粘结剂的材料与结构设计

电动汽车等大规模储能应用于的高速发展对锂离子电池的性能明确提出了更高的拒绝。高性能电池系统的发展必须对每一个电池组件展开优化，还包括电极材料、电解液以及粘结剂。传统锂离子电池的粘结剂系统由绝缘聚合物和导电添加剂的混合物构成。

在制取电池电极时，导电相和活性材料随机产于，一般来说不会造成较好的电子和离子传输能力。当用于高容量电极材料时，电化学反应产生的高形变不会毁坏传统粘结剂系统的机械完整性，造成电池的循环寿命上升。因此，设计需要获取平稳、较低压、倒数的内部通路以相连电极的所有区域的新型粘结剂系统至关重要。

近日，受邀于美国化学会（ACS）的知名期刊AccountsofChemicalResearch，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（通讯作者）和石烨博士，周星怡博士生基于近期公开发表的关于新型锂离子电池粘结剂系统的制备、应用于以及机理研究方面的工作，系统总结了高性能粘结剂体系材料与结构设计的最新进展，分析了研究粘结剂电化学机理的仿真与密切相关方法，最后未来发展了未来多功能电池粘结剂的发展（图1）。图1新型锂离子电池粘结剂的材料与结构设计以及机理研究文章首先讲解了具备非常丰富羧基的绝缘聚合物在电池粘结剂中的应用于。它们能与活性材料产生较强的结合力，使电极材料在电化学反应中维持结构平稳，从而超过高容量以及出色的循环性能（图2a）。

然而，基于绝缘聚合物的粘结剂系统依然必须导电添加剂的用于，妨碍了电池能量密度的更进一步提高。与此有所不同，基于导电聚合物的多功能粘结剂能同时起着黏合以及导电起到，从而获得了普遍的研究。在一系列研究中，研究人员通过在主链上引进有所不同功能基团对导电聚合物展开分子结构的调控，在不影响电学特性的前提下，提高了粘结剂的机械以及溶胀性能（图2b）。余桂华课题组则通过对导电聚合物微结构的调控，发展了具备三维网络结构的导电高分子凝胶，并将其应用于电池粘结剂中（图2c）。

这种导电高分子凝胶的结构与性质高度固定式，其三维结构不仅可以增进电子和离子在电极中的传输，还能提高电极的稳定性，并提高活性颗粒的均匀分布。文章之后讲解了粘结剂机理研究方面的工作，还包括模拟计算以及先进设备密切相关手段的应用于，并总结了未来新型粘结剂系统的设计准则。

图2（a）具备非常丰富羧基的绝缘聚合物在电池粘结剂中的应用于。（b）通过在主链上引进有所不同功能基团对导电聚合物粘结剂展开分子结构的调控。（c）导电高分子凝胶的制备以及在新一代电池粘结剂中的应用于文章还未来发展了未来多功能电池粘结剂的制备与应用于。

通过分子设计以及复合材料的制备，更好的功能可以被引进电池粘结剂系统中，还包括自修缮性能、柔性、可剪切性能以及环境号召性。早已有研究证明具备自修缮性能的粘结剂能有效地提高电池寿命。

近期，余桂华课题组发展了同时具备导电以及自修缮性能的填充凝胶材料，可作为未来的多功能电池粘结剂，以提升电池性能（图3）。某种程度的，其他具备出色机械性能以及环境号召性的新型粘结剂可用作发展柔性电池以及可自调控的安全性电池。

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