林展教授课题组在Energy Environ. Sci.合作发表论文

　　【引言】

　　锂硫电池具有高达1675mAh/g的理论容量，是下一代电池候选者。为得到更高的能量密度，亟需高负载的硫电极。然而，锂硫电池存在很多的问题，包括穿梭效应、充放电过程大体积变化，以及硫导电性差等，这些问题在高负载的锂硫电池中更严重，而且更厚的极片也更易导致电极材料发生破裂和脱落。通过精心设计电极结构可以获得高负载的锂硫电池，但这势必采用复杂的制备工艺，不适合广泛的应用。

　　粘结剂是电极材料重要的组分之一，起到粘结活性材料和集流体的作用并保持极片的完整性。更重要的是，粘结剂的官能团和活性材料相互作用可提高电化学性能。从这角度出发，采用高效的粘结剂可以获得高负载的锂硫电池。

　　【成果简介】

　　近日，浙江大学林展教授和澳大利亚格里菲斯大学张山青教授(共同通讯作者)在Energy&EnvironmentalScience发表题为“Exploitingarobustbiopolymernetworkbinderforanultrahigh-areal-capacityLiSbattery”的文章，介绍一种高效粘结剂，可以极大地提高锂硫电池的面积比容量。研究人员采用无毒、低成本的瓜儿豆胶(GG)和黄原胶(XG)为原料，利用二者的分子间结合作用，形成强韧的生物聚合物三维网络粘结剂(N-GG-XG)。瓜儿豆胶和黄原胶都富有含氧官能团，可以有效结合多硫化物。在这种粘结剂有力结合下，硫活性材料负载量可高达19.8mg/cm2，发挥出超高面积比容量(26.4mAh/cm2)。并且这种粘结剂是在水系环境中使用，又可避免了有机溶剂的使用。

　　【图文导读】

　　图1：GG和XG的分子间相互作用

　　(a-b)分别是GG和XG的化学结构。

　　(c)GG和XG之间的分子间结合作用的示意图。

　　(d)分子间结合作用形成的聚合物网络示意图。

　　(e)GG、XG、N-GG-XG的FTIR光谱。一些官能团的特征峰发生偏移，证明GG和XG发生相互作用。

　　图2：电化学性能测试

　　(a)0.5C下S@N-GG-XG电极的恒流充放电曲线。

　　(b)0.1mV/s下S@N-GG-XG电极的循环伏安曲线。

　　(c)0.5C下采用不同粘结剂的硫正极的循环性能。

　　(d)S@N-GG-XG电极的倍率性能。

　　(e)0.5C下S@N-GG-XG电极的超长循环性能。

　　图3：高负载量的电极电化学性能

　　(a)在电流密度为0.8mA/cm2下，采用不同粘结剂且负载量为6.5mg/cm2的硫正极的循环性能。

　　(b)在电流密度为0.8mA/cm2下，负载量为6.5mg/cm2的S@N-GG-XG电极的面积放电比容量。

　　(c-d)在电流密度为1.6mA/cm2下，负载量为11.9mg/cm2的S@N-GG-XG电极的循环性能和库伦效率。

　　图4：力学性能评价

　　(a)S@N-GG-XG电极的原位3D纳米划痕图像，其光滑的划痕轨迹证明更能容纳大体积变化。

　　(b)不同粘结剂的硫电极的摩擦系数(纳米划痕测试获得)。从中得知N-GG-XG具有更高的粘附力。

　　(c-d)分别是不同粘结剂的硫电极的折合模数和硬度(纳米划痕测试获得)。S@N-GG-XG电极具有较高的适合的折合模数和硬度，有利于大体积变化的循环稳定性。

　　图5：超高负载量S@N-GG-XG电极的性能

　　(a)在电流密度为0.8mA/cm2下，负载量为19.8mg/cm2的S@N-GG-XG电极的循环性能。

　　(b)对比近期研究粘结剂的文献中硫正极的负载量。

　　(c)对比近期文献中锂硫电池的面积比容量和负载量。

　　(d)锂硫扣式电池为电子秒表提供动力。插图为锂硫扣式电池点亮发光二极管。

　　【小结】

　　利用GG和XG之间的分子间结合作用制备的N-GG-XG粘结剂，可高效提高锂硫电池的负载能力(19.8mg/cm2)，极大提高面积比容量(26.4mAh/cm2)。实验结果印证了作者的观点，即采用简单高效的粘结剂也可获得高能量密度的电池。这项工作将激励人们探索适用于高能量密度电池的新型粘合剂。