青島儲能院在高能鋰電池粘結劑領域取得系列突破性進展
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-04-30 14:43:28
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隨著鋰電池技術向高能量密度方向演進，高比容量電極以及干法電極技術備受產(chǎn)業(yè)界和學術界的關注。作為鋰電池電極的核心組分—粘結劑材料，其結構優(yōu)化對提升電池綜合性能發(fā)揮著關鍵作用。青島儲能院在高性能電極粘結劑開發(fā)領域取得系列突破性成果，相關研究覆蓋液態(tài)/固態(tài)鋰電池多場景技術應用，形成了具有自主知識產(chǎn)權的粘結劑關鍵材料技術體系。
針對高電壓鋰離子電池正極/電解液界面活性氧物種與自由基攻擊引發(fā)的電解液分解難題，研究團隊開創(chuàng)性提出活性氧與自由基清除策略，首次揭示高電壓下層狀氧化物正極界面活性氧物種生成機制，并基于仿生原理開發(fā)出自由基捕獲型粘結劑（Energy Environ. Sci. 2019,12, 273-280；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18041；圖1），從而實現(xiàn)了電極界面穩(wěn)定性的大幅提升。 憑借高的理論比容量，硅基電極成為下一代高比能鋰離子電池的理想負極，吸引了越來越多的關注。然而，硅基電極在循環(huán)過程中巨大的體積變化所帶來的快速容量衰減仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。針對這一挑戰(zhàn)，團隊從調(diào)控電極內(nèi)部粘結劑凝聚態(tài)結構方面出發(fā)，開發(fā)了多種電極粘結劑（圖2），揭示了粘結劑多維結構對電極電化學性能的改善機制，為高性能粘結劑的開發(fā)提供了新思路。針對硅基電極面臨的性能提升瓶頸，發(fā)展了仿蛛絲蛋白分級結構粘結劑，通過調(diào)控粘結劑晶區(qū)-非晶區(qū)雜化結構大幅提升了粘結劑的機械模量和彈性，有效抑制了硅基電極的過度體積膨脹，穩(wěn)定了電極內(nèi)部電子傳輸網(wǎng)絡和固態(tài)電解質(zhì)界面結構，大幅改善了納米硅和硅碳負極的電化學性能（Adv. Mater. 2023, 35, 2303312）；受貽貝足絲結構的啟發(fā)，團隊將高模量水系聚合物與高彈態(tài)低分子量橡膠通過共價鍵交聯(lián)，原位構筑了硬-軟段協(xié)同增效粘結劑。該粘結劑結構設計有助于形成互穿結構的粘結劑凝聚態(tài)結構，有效平衡粘結劑的機械模量與彈性模量，有助于實現(xiàn)硅碳電極在長循環(huán)過程中的結構完整性和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2302411）；受肌腱腱鞘啟發(fā)，開發(fā)了水溶性雙網(wǎng)狀粘結劑，得益于其超分子雜化網(wǎng)絡而具有良好的粘結性能、較高的力學性能和良好的自修復能力，有效緩解了硅基電極的體積膨脹，并原位構筑了富含Li3N/LiF的固態(tài)電解質(zhì)層，提高了硅電極的循環(huán)穩(wěn)定性（Nano-Micro Lett.2022, 14, 87）。 鋰硫電池因其高能量密度，被廣泛認為是最有前途的下一代儲能器件之一。針對高比容量硫基正極面臨的巨大體積變化和循環(huán)過程中的多硫化物穿梭造成的快速容量衰減問題，團隊開發(fā)了類似骨骼肌結構的響應/限制雙網(wǎng)絡結構粘結劑。該體系具有優(yōu)異的機械性質(zhì)和多硫化物的捕獲能力，可有效穩(wěn)定電極內(nèi)部電子傳輸網(wǎng)絡、抑制多硫化物穿梭效應，實現(xiàn)了低粘結劑用量下硫基電極優(yōu)異的電化學性能（ACS Energy Lett. 2023, 8, 3733-3741；圖3）。 硫化物電解質(zhì)膜技術的全固態(tài)鋰電池被認為是最具潛力的下一代鋰電池體系之一。干法電極/硫化物電解質(zhì)膜制造技術，因其環(huán)保、經(jīng)濟效益高、利于制備厚電極等優(yōu)勢，受到產(chǎn)業(yè)界和學術界的高度關注。然而，現(xiàn)今主流無溶劑工藝主要基于聚四氟乙烯粘結劑的成纖化，存在粘結性不佳、機械性能差、還原穩(wěn)定性不足等劣勢。團隊利用熔融黏結技術，使用熱塑性聚酰胺粘結劑，開發(fā)出具有優(yōu)異柔韌性的超薄硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜（厚度 ≤ 25 μm），具有優(yōu)異的力學性能、離子電導率（2.1 mS/cm）以及應力耗散特性，可以有效抑制電池內(nèi)部應力不均導致的機械失效（Adv. Mater. 2024, 36, 2401909；圖4）。 目前，粘結劑技術體系已形成完整知識產(chǎn)權布局，相關成果入選國家"十四五"能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃重點突破技術，為下一代高能量密度鋰電池產(chǎn)業(yè)化奠定關鍵的材料基礎。 |
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