新型鋰離子電池粘結(jié)劑系統(tǒng)的合成、應(yīng)用
電動(dòng)汽車等大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的高速發(fā)展對(duì)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(duì)每一個(gè)電池組件進(jìn)行優(yōu)
電動(dòng)汽車等大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的高速發(fā)展對(duì)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(duì)每一個(gè)電池組件進(jìn)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(dǎo)電添加劑的混合物組成。在制備電池電極時(shí),導(dǎo)電相和活性材料隨機(jī)分布,通常會(huì)導(dǎo)致較差的電子和離子傳輸能力。當(dāng)使用高容量電極材料時(shí),電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高應(yīng)力會(huì)破壞傳統(tǒng)粘結(jié)劑系統(tǒng)的機(jī)械完整性,導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命下降。因此,設(shè)計(jì)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(yīng)邀于美國(guó)化學(xué)會(huì)(ACS)的著名期刊Accounts of Chemical Research, 德克薩斯大學(xué)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(yīng)用以及機(jī)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(jì)的最新進(jìn)展,分析了研究粘結(jié)劑電化學(xué)機(jī)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(yīng)用。它們能與活性材料產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合力,使電極材料在電化學(xué)反應(yīng)中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,從而達(dá)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(dǎo)電添加劑的使用,阻礙了電池能量密度的進(jìn)一步提升。與此不同,基于導(dǎo)電聚合物的多功能粘結(jié)劑能同時(shí)起到粘合以及導(dǎo)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(tuán)對(duì)導(dǎo)電聚合物進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控,在不影響電學(xué)特性的前提下,提升了粘結(jié)劑的機(jī)械以及溶脹性能。
余桂華課題組則通過對(duì)導(dǎo)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(dǎo)電高分子凝膠,并將其應(yīng)用于電池粘結(jié)劑中。
1.這種導(dǎo)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(jìn)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(jī)理研究方面的工作,包括模擬計(jì)算以及先進(jìn)表征手段的應(yīng)用,并總結(jié)了未來新型粘結(jié)劑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結(jié)劑中的應(yīng)用。通過在主鏈上引入不同功能基團(tuán)對(duì)導(dǎo)電聚合物粘結(jié)劑進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。
3.導(dǎo)電高分子凝膠的合成以及在新一代電池粘結(jié)劑中的應(yīng)用
展望了未來多功能電池粘結(jié)劑的合成與應(yīng)用。通過分子設(shè)計(jì)以及復(fù)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(fù)性能、柔性、可拉伸性能以及環(huán)境響應(yīng)性。已經(jīng)有研究證明具有自修復(fù)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(shí)具有導(dǎo)電以及自修復(fù)性能的復(fù)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(jī)械性能以及環(huán)境響應(yīng)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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