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廣東省科學院生醫所謝東Small綜述:用于高性能鋰離子電池的聚丙烯酸基水性粘結劑-從分子結構設計到性能研究
2024-11-05  來源:高分子科技

  鋰離子電池(LIBs)因其具有高比能量、高比容量和長壽命等優點被廣泛應用于便攜式電子產品、電動汽車(EVs)及儲能設備領域。隨著對高功率鋰電池需求的不斷增長,硅(Si)作為負極材料憑借其理論比容量高(4200 mAh g-1)而備受關注。然而,Si在充放電過程中會發生劇烈的體積膨脹(>300%),導致顆粒破碎粉化,電池容量迅速衰減。為解決這一問題,研究人員提出了一系列策略,包括材料納米化、復合結構構建、電解質改性以及新型粘結劑的開發等。其中,開發新型聚合物粘結劑被認為是緩解Si體積膨脹問題的有效方法之一。


  聚丙烯酸(PAA)及其衍生物由于含有高密度的極性-COOH官能團,能夠與Si顆粒表面-OH形成共價鍵或氫鍵,可以有效緩解Si顆粒的體積變化,確保電極在循環過程中的結構完整性;同時還增強了Li+傳輸能力,降低了電極極化,提高了SEI膜的穩定性,因此PAA成為鋰離子電池的理想粘結劑之一。



  近日,廣東省科學院生物與醫學工程研究所謝東高級工程師在Small上發表了最新綜述論文“Poly(Acrylic Acid)-Based Polymer Binders for High-Performance Lithium-Ion Batteries: From Structure to Properties”。該文章系統介紹了PAA基水性粘結劑在鋰離子電池負極中的應用進展,重點介紹了PAA基粘結劑與活性物質之間的作用機制、PAA基聚合物的設計思路與改性方法,詳細討論了PAA基粘結劑在電極材料中的應用特性。廣東省科學院生物與醫學工程研究所鐘柳博士為該論文第一作者。



  作者首先對比了傳統的油性PVDF粘結劑、水性CMC粘結劑與水性PAA粘結劑之間的優劣勢,簡短介紹了鋰離子電池粘結劑所需具備的特性以及PAA粘結劑所面臨的問題。為解決這些問題,研究人員從PAA基聚合物的共混改性以及共聚改性等多種策略出發,重點評估了PAA基粘結劑在增強Si負極的粘附性、促進離子傳輸和保持電極結構完整性方面的潛力,并深入探討了聚合物的結構與物理化學特性對電池初始庫侖效率和循環穩定性等關鍵電化學性能的影響。


  本綜述從粘結劑的先進制備技術(包括構建共價鍵及分子間弱相互作用力、催化丙烯酸與功能性單體共聚、PAA堿性調控、有機-無機復合改性);PAA基聚合物分子結構設計(包括柔性與剛性分子鏈段協同設計、支鏈結構優化構建、引入可逆價鍵);賦予PAA新的功能(阻燃、導電、抗氧化性能)等方面詳細介紹了PAA基粘結劑的物理和化學改性方法。闡明了這些聚合物的結構和特性如何影響鋰離子電池的電化學性能。研究表明,定制化的PAA基粘結劑在有效緩解Si的體積膨脹,提升鋰離子電池電化學性能方面發揮了重要的作用,為先進電池材料的設計與應用提供了重要參考。這些進展將有助于推動高性能鋰離子電池的發展,以滿足未來的發展需求。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202407297

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