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新型鋰離子電池粘結(jié)劑系統(tǒng)的合成、應用

電動汽車等大規(guī)模儲能應用的高速發(fā)展對鋰離子電池的性能提出了更高的要求。高性能電池系統(tǒng)的發(fā)展需要對每一個電池組件進行優(yōu)

電動汽車等大規(guī)模儲能應用的高速發(fā)展對鋰離子電池的性能提出了更高的要求。高性能電池系統(tǒng)的發(fā)展需要對每一個電池組件進行優(yōu)化，包括電極材料、電解液以及粘結(jié)劑。傳統(tǒng)鋰離子電池的粘結(jié)劑系統(tǒng)由絕緣聚合物和導電添加劑的混合物組成。在制備電池電極時，導電相和活性材料隨機分布，通常會導致較差的電子和離子傳輸能力。當使用高容量電極材料時，電化學反應產(chǎn)生的高應力會破壞傳統(tǒng)粘結(jié)劑系統(tǒng)的機械完整性，導致電池的循環(huán)壽命下降。因此，設(shè)計能夠提供穩(wěn)定、低阻、連續(xù)的內(nèi)部通路以連接電極的所有區(qū)域的新型粘結(jié)劑系統(tǒng)至關(guān)重要。

近日，應邀于美國化學會（ACS）的著名期刊Accounts of Chemical Research，德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授和石燁博士，周星怡博士生基于近期發(fā)表的關(guān)于新型鋰離子電池粘結(jié)劑系統(tǒng)的合成、應用以及機理研究方面的工作，系統(tǒng)總結(jié)了高性能粘結(jié)劑體系材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計的最新進展，分析了研究粘結(jié)劑電化學機理的模擬與表征方法，最后展望了未來多功能電池粘結(jié)劑的發(fā)展

首先介紹了具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結(jié)劑中的應用。它們能與活性材料產(chǎn)生較強的結(jié)合力，使電極材料在電化學反應中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而達到高容量以及優(yōu)異的循環(huán)性能。然而，基于絕緣聚合物的粘結(jié)劑系統(tǒng)仍然需要導電添加劑的使用，阻礙了電池能量密度的進一步提升。與此不同，基于導電聚合物的多功能粘結(jié)劑能同時起到粘合以及導電作用，從而得到了廣泛的研究。

在一系列研究中，研究人員通過在主鏈上引入不同功能基團對導電聚合物進行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，在不影響電學特性的前提下，提升了粘結(jié)劑的機械以及溶脹性能。

余桂華課題組則通過對導電聚合物微結(jié)構(gòu)的調(diào)控，發(fā)展了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的導電高分子凝膠，并將其應用于電池粘結(jié)劑中。

1.這種導電高分子凝膠的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)高度可調(diào)，其三維結(jié)構(gòu)不僅可以促進電子和離子在電極中的傳輸，還能提升電極的穩(wěn)定性，并改善活性顆粒的均勻分布。

2.介紹了粘結(jié)劑機理研究方面的工作，包括模擬計算以及先進表征手段的應用，并總結(jié)了未來新型粘結(jié)劑系統(tǒng)的設(shè)計準則。具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結(jié)劑中的應用。通過在主鏈上引入不同功能基團對導電聚合物粘結(jié)劑進行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

3.導電高分子凝膠的合成以及在新一代電池粘結(jié)劑中的應用

展望了未來多功能電池粘結(jié)劑的合成與應用。通過分子設(shè)計以及復合材料的合成，更多的功能可以被引入電池粘結(jié)劑系統(tǒng)中，包括自修復性能、柔性、可拉伸性能以及環(huán)境響應性。已經(jīng)有研究證明具有自修復性能的粘結(jié)劑能有效提升電池壽命。近期，余桂華課題組發(fā)展了同時具有導電以及自修復性能的復合凝膠材料，可作為未來的多功能電池粘結(jié)劑，以提高電池性能。同樣的，其他具有優(yōu)異機械性能以及環(huán)境響應性的新型粘結(jié)劑可用于發(fā)展柔性電池以及可自調(diào)控的安全電池。

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