相比于傳統鋰離子電池正極材料，單質硫具有高理論比容量、價格低廉、環境友好等優勢。硫正極材料與具有高理論比容量的堿金屬鋰、鈉負極匹配有望得到高能量密度的電池（鋰硫：2600 Wh kg-1, 鈉硫：760 Wh kg-1），以滿足電動汽車、便攜電子設備等急劇增長的能量需求。尤其得益于鈉的儲量豐富，鈉硫電池在智能電網上具有廣闊應用前景。然而，硫作為正極材料在循環充放電過程中面臨著一系列問題，如物理脫附，導電性差，多硫化物溶解穿梭和單質硫劇烈的體積膨脹等，造成了電池性能的急劇衰減。在鋰硫和鈉硫電池中，粘結劑對穩定硫正極扮演著至關重要的角色。盡管粘結劑在電極中通常只占≤10%，其能有效將不同的電極組分（硫，導電劑等）粘粘在集流體上以保證各組分的良好接觸以及電極結構的完整，最終提高電池的循環容量、穩定性以及使用壽命。
香港理工大學鄭子劍課題組撰寫了題為“Rational Design of Binders for Stable Li-S and Na-S Batteries”的特邀綜述，概述了近年來在鋰硫和鈉硫電池中粘結劑的功能及相應結構設計的發展歷程，同時總結了粘結劑的結構設計與電池性能的關系，最后對其發展趨勢進行了預測及展望。
圖1硫正極粘結劑在鋰硫和鈉硫電池中的功能及其結構設計的發展進程
由于鋰硫電池和鈉硫電池基于相似的正極反應機理，其粘結劑的發展都遵循從單功能演變到雙功能/多功能的趨勢。起初，粘結劑主要發揮著結構穩定劑的基礎作用，致力于保持電極結構穩定并抵抗反應時的體積變化。采用的聚合物要求其對硫具有強粘附力，并具有熱力/電化學穩定性和力學強度。為了增強粘結能力以不斷提高載流量，粘結劑的分子結構設計從帶有極性官能團的直鏈結構（如PVDF,PEO）發展成各種支鏈結構。隨著對硫正極多相反應機理的深入了解，粘結劑逐漸拓展到了具有雙功能或多功能的特性。除了充當基本的結構穩定劑外，粘結劑可通過引入吸電子基團或陽離子基團進入分子鏈段，以實現化學吸附多硫化物的功能；或通過采用導電聚合物或者在分子主鏈引入導電鏈段，以實現高電子導電性的功能。在粘結劑的結構設計中，大量研究致力于結合并優化不同的結構功能化手段以平衡不同的性能（如粘結力和電子導電性），旨在最大化解決硫正極面臨的多方面的問題。
圖2 基于二維導電材料的導電粘結劑
相比于傳統導電聚合物（如PANI, PEDOT, Ppy）在力學性能上的不足，二維導電材料具有高比表面積、高電子導電率，較多的多硫化物吸附位點以及力學柔性。近年來，二維導電材料如還原氧化石墨烯（rGO）及其功能化產物（如N,S摻雜）逐漸被開發作為新型的兼備粘結性、多硫化物固定能力和電子/離子導電性的多功能粘結劑。通過與傳統直鏈粘結劑復合或摻雜修飾手段，二維導電材料的粘附力可得到很好的提高以適用于粘結劑。
圖3 具有不同功能的粘結劑的結構設計與電池性能的關系
該綜述首次總結了針對不同功能（結構穩定，多硫化物固定和電子導電）的粘結劑結構與電池性能的關系，對比了比容量、容量衰減速率、循環壽命、硫載量以及性能提高幅度（相比于PVDF）。此關系網絡的構建為未來多功能粘結劑的結構設計提供了更多的思路。結合不同的結構設計策略（如支鏈結構，引入導電鏈段等），硫正極粘結劑有望實現其各功能的最大化，最終獲得高性能電池（面容量≥6 mAh cm-2，容量保留量≥80%, 500圈）
該論文發表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2019, 1907931)上。論文的第一作者為香港理工大學博士生郭倩怡，通訊作者為鄭子劍教授。
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