Energy Environ. Sci.：生物聚合物網絡粘結劑極大地提高鋰硫電池的面積比容量

【引言】

鋰硫電池具有高達1675 mAh/g的理論容量，是下一代電池候選者。為得到更高的能量密度，亟需高負載的硫電極。然而，鋰硫電池存在很多的問題，包括穿梭效應、充放電過程大體積變化，以及硫導電性差等，這些問題在高負載的鋰硫電池中更嚴重，而且更厚的極片也更易導致電極材料發生破裂和脫落。通過精心設計電極結構可以獲得高負載的鋰硫電池，但這勢必采用復雜的制備工藝，不適合廣泛的應用。

粘結劑是電極材料重要的組分之一，起到粘結活性材料和集流體的作用并保持極片的完整性。更重要的是，粘結劑的官能團和活性材料相互作用可提高電化學性能。從這角度出發，采用高效的粘結劑可以獲得高負載的鋰硫電池。

【成果簡介】

近日，浙江大學林展教授和澳大利亞格里菲斯大學張山青教授（共同通訊作者）在Energy & Environmental Science發表題為“Exploiting a robust biopolymer network binder for an ultrahigh-areal-capacity Li–S battery”的文章，介紹一種高效粘結劑，可以極大地提高鋰硫電池的面積比容量。研究人員采用無毒、低成本的瓜兒豆膠（GG）和黃原膠（XG）為原料，利用二者的分子間結合作用，形成強韌的生物聚合物三維網絡粘結劑（N-GG-XG）。瓜兒豆膠和黃原膠都富有含氧官能團，可以有效結合多硫化物。在這種粘結劑有力結合下，硫活性材料負載量可高達19.8 mg/cm²，發揮出超高面積比容量（26.4 mAh/cm²）。并且這種粘結劑是在水系環境中使用，又可避免了有機溶劑的使用。

【圖文導讀】

圖1：GG和XG的分子間相互作用

(a-b) 分別是GG和XG的化學結構。

(c) GG和XG之間的分子間結合作用的示意圖。

(d) 分子間結合作用形成的聚合物網絡示意圖。

(e) GG、XG、N-GG-XG的FTIR光譜。一些官能團的特征峰發生偏移，證明GG和XG發生相互作用。

圖2：電化學性能測試

(a) 0.5C下S@N-GG-XG電極的恒流充放電曲線。

(b) 0.1mV/s下S@N-GG-XG電極的循環伏安曲線。

(c) 0.5C下采用不同粘結劑的硫正極的循環性能。

(d) S@N-GG-XG電極的倍率性能。

(e) 0.5C下S@N-GG-XG電極的超長循環性能。

圖3：高負載量的電極電化學性能

(a) 在電流密度為0.8 mA/cm²下，采用不同粘結劑且負載量為6.5 mg/cm²的硫正極的循環性能。

(b) 在電流密度為0.8 mA/cm²下，負載量為6.5 mg/cm²的S@N-GG-XG電極的面積放電比容量。

(c-d) 在電流密度為1.6 mA/cm²下，負載量為11.9 mg/cm²的S@N-GG-XG電極的循環性能和庫倫效率。

圖4：力學性能評價

(a) S@N-GG-XG電極的原位3D納米劃痕圖像，其光滑的劃痕軌跡證明更能容納大體積變化。

(b) 不同粘結劑的硫電極的摩擦系數（納米劃痕測試獲得）。從中得知N-GG-XG具有更高的粘附力。

(c-d) 分別是不同粘結劑的硫電極的折合模數和硬度（納米劃痕測試獲得）。S@N-GG-XG電極具有較高的適合的折合模數和硬度，有利于大體積變化的循環穩定性。

圖5：超高負載量S@N-GG-XG電極的性能

(a) 在電流密度為0.8 mA/cm²下，負載量為19.8 mg/cm²的S@N-GG-XG電極的循環性能。

(b) 對比近期研究粘結劑的文獻中硫正極的負載量。

(c) 對比近期文獻中鋰硫電池的面積比容量和負載量。

(d) 鋰硫扣式電池為電子秒表提供動力。插圖為鋰硫扣式電池點亮發光二極管。

【小結】

利用GG和XG之間的分子間結合作用制備的N-GG-XG粘結劑，可高效提高鋰硫電池的負載能力（19.8 mg/cm²），極大提高面積比容量（26.4 mAh/cm²）。實驗結果印證了作者的觀點，即采用簡單高效的粘結劑也可獲得高能量密度的電池。這項工作將激勵人們探索適用于高能量密度電池的新型粘合劑。

文獻鏈接：Exploiting a robust biopolymer network binder for an ultrahigh-areal-capacity Li–S battery (Energ. Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c6ee03033e)

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