【文章信息】
低成本高性能水溶性交联功能粘合剂用于锂硫电池
第一作者：孙睿敏
通讯作者：孙睿敏，麦立强
单位：中国地质大学（武汉），武汉理工大学
【研究背景】
粘结剂在电池系统中起着重要的作用。锂硫（Li-S）电池在充放电过程中由于硫体积变化大以及多硫化物溶解等问题，循环性能较差。传统的聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂的粘结性能通常是通过链间范德华力实现的，而链间范德华力较弱，导致重复循环过程中极片易在有机电解液中发生溶胀行为，电极结构不稳定。
此外，PVDF需溶解在有毒、易挥发、易燃的有机N -甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂中，造成环境污染。为了提高Li-S电池的能量密度和循环稳定性，有必要设计拥有高导电性、与多硫化物存在化学吸附作用以及良好力学性能的新型水溶性多功能粘结剂。
本研究成功设计制备了一种新型水溶性交联功能粘结剂（GN-BA）用于Li-S电池，实现了电化学性能的大幅提升。此外，该粘结剂具有成本低、环境友好、制备方法简单等优点。
【文章简介】
本文中，来自中国地质大学（武汉）的孙睿敏教授（特任）与武汉理工大学的麦立强教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Water-Soluble Cross-Linking Functional Binder for Low-Cost and High-performance Lithium-Sulfur Batteries”的文章。
该工作利用明胶GN与硼酸BA的交联作用，制备了一种新型水溶性功能粘结剂GN -BA。将该粘结剂应用到Li-S电池中，能有效保持循环过程中电极结构的稳定性，缓冲体积变化，防止活性材料从集流体上脱落，并通过化学键合作用锚定多硫化物，有效抑制“穿梭效应”。应用这种粘结剂制备的硫电极也展现出松散的多孔结构，有利于电解液的渗透和离子快速传输。
XPS、UV-vis和DFT计算进一步验证该粘结剂可通过形成B-O-Li、C-O-Li和C-N-Li化学键来锚定多硫化物。将普通硫粉、导电炭黑与不同粘结剂简单混合进行电化学性能测试，使用该粘结剂硫正极的电化学性能远远好于用传统PVDF粘结剂的硫正极。当硫载量高达5.0 mg cm−2时，面积比容量为5.7 mAh cm−2，并且拥有良好的循环稳定性。本研究为先进粘结剂的设计构筑提供了经济、环保、便捷有效的策略。
图1. a）传统PVDF粘结剂循环过程示意图，循环过程中会发生大体积变化，活性物质脱落，发生多硫化物溶解。b) GN-BA交联粘结剂循环过程示意图，在循环中，能有效保持电极稳定并通过配位效应锚定多硫化物。c) GN-BA和单一GN粘结剂的FTIR光谱图。d) GN-BA交联粘结剂简化分子结构示意图。
1. 利用明胶（GN）与硼酸（BA）的交联作用，形成B−N键，用简易便捷的方法合成了一种价格低廉，对环境无污染的水性粘结剂GN-BA。该粘结剂结合了BA和GN二者优点。GN是一种生物基材料，具有良好的粘结和分散能力，同时GN中广泛的极性官能团可以通过配位作用有效地锚定多硫化物。此外，BA还可以通过B-OH基团与多硫化物之间的强化学相互作用抑制锂硫电池的穿梭效应。
2. 此种水性粘结剂能有效保持电极的稳定性，缓冲反复循环过程中的体积变化，防止活性物质从集流体上脱落。此外，使用该粘结剂的硫电极拥有松散堆积的多孔结构，有利于电解液的渗透和离子的快速传输。
3. 采用XPS、UV-vis和DFT计算等研究方法探究了该粘结剂与多硫化物的吸附作用，验证了此粘结剂与多硫化物之间可形成B−O−Li， C−O−Li和C−N−Li化学键，紧密束缚住多硫化物，避免其在电化学反应过程中溶解在电解液中。特别通过DFT计算发现，此粘结剂中B−OH 和−NH2 基团对Li2S6和Li2S总的结合能分别高达1.334 eV和2.143 eV。进一步证实该粘结剂对多硫化物有很好的强化学吸附作用，可有效抑制穿梭效应，提升锂硫电池的电化学性能。
4. 以GN-BA为粘结剂的硫电极具有优异的电化学性能。当硫负载量高达5.0 mg cm−2时，其面积比容量高达5.7 mAh cm−2，高于目前大部分商业化锂离子电池面容量（4 mAh cm−2），并且电池拥有良好的循环稳定性。
【文章链接】
Water-Soluble Cross-Linking Functional Binder for Low-Cost and High-performance Lithium-Sulfur Batteries” https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104858原文刊载于【科学材料站】公众号
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