鋰硫電池具有極高的理論比容量(1675mAhg-1)，且硫含量豐富，價(jià)格低廉，被廣泛地認(rèn)為是未來大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的方向。通常，鋰硫電池中的正極主要包括四個(gè)組成部分：集流體，電化學(xué)活性硫材料，導(dǎo)電碳添加劑和聚合物粘結(jié)劑。聚合物粘結(jié)劑通常是惰性的，不導(dǎo)電的，并且通常以小劑量加入到電極中。然而，聚合物粘結(jié)劑在硫正極中起著不可或缺的作用，包括：1)確?；钚粤蝾w粒與導(dǎo)電碳主體之間的緊密接觸;2)提供強(qiáng)大的粘合力以將S/C活性材料結(jié)合到集流體上;3)緩解充放電期間硫的體積變化并保持電極結(jié)構(gòu)的完整性。尤其是在具有高面積硫負(fù)載量的情況下，聚合物粘結(jié)劑的作用對(duì)于維持正極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是至關(guān)重要的;4)由于元素硫和放電產(chǎn)物的絕緣性質(zhì)，開發(fā)了聚合物粘結(jié)劑以促進(jìn)硫正極中的Li離子傳輸和電子轉(zhuǎn)移;此外，對(duì)于Li-S電池中的穿梭效應(yīng)，還可以引入能夠與多硫化物相互作用的功能性結(jié)合物，5)捕獲可溶性多硫化物，6)促進(jìn)多硫化物的氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，7)最終調(diào)節(jié)可溶性多硫化物中間體的溶解和擴(kuò)散。

近日，清華大學(xué)張強(qiáng)教授、北京理工大學(xué)陳人杰教授、黃佳琦研究員聯(lián)合東京大學(xué)xiangrong教授(共同通訊作者)在AdvancedEnergyMaterials上撰寫了題為“AReviewofFunctionalBindersinLithium–SulfurBatteries”的綜述文章。該綜述著眼于聚合物粘合劑的功能和效果，系統(tǒng)地總結(jié)了最近在硫正極中的聚合物粘合劑研究方面的進(jìn)展，根據(jù)粘合劑的主要功能對(duì)粘合劑進(jìn)行了分類，包括機(jī)械性能，電/離子傳導(dǎo)率，多硫化物調(diào)節(jié)和其他特殊功能。此外，提出了功能性粘結(jié)劑的合理設(shè)計(jì)原則。最后，提出了高性能粘結(jié)劑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和前景。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一Li-S電池中聚合物粘合劑的功能性

粘結(jié)劑的機(jī)械強(qiáng)度

圖2.(a)在150℃下CA中的CMC和COOH基團(tuán)中的OH基團(tuán)的酯化的交聯(lián)的示意圖以及使用PVDF和交聯(lián)CMC-CA粘合劑的硫正極表面的掃描電子顯微鏡圖像。(b)GG和XG的化學(xué)結(jié)構(gòu)，GG和XG之間的分子間結(jié)合效應(yīng)的示意圖以及具有不同粘結(jié)劑的硫正極循環(huán)性能

圖3.PAMAM樹枝狀大分子的示意圖，提出了粒子水平的樹枝狀聚合物-硫-MWCNT相互作用的示意圖，以及基于G4CMP樹枝狀大分子粘結(jié)劑的Li-S電池的循環(huán)性能

總結(jié)：已經(jīng)有許多有效的策略來通過改善粘結(jié)劑的機(jī)械性能來增強(qiáng)硫電極的穩(wěn)定性和完整性。然而，沒有有效的方法來完全適應(yīng)體積膨脹以實(shí)現(xiàn)具有高硫面積負(fù)載量的鋰硫電池的長期運(yùn)行。在粘合劑和活性材料之間合理地集成兩種或更多種方法是在長循環(huán)壽命期間實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定能量輸出的鋰硫電池的有希望的策略。

粘結(jié)劑增強(qiáng)電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率

圖4PFM，PEDOT，PVP和PVDF粘合劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及在C/10下用不同粘結(jié)劑制造的硫正極的循環(huán)性能和自放電性能

圖5.具有PEO10LiTFSI納米薄膜涂層的電極和通過溶脹的PEO10LiTFSI凝膠抑制多硫化物的示意圖，以及在不同電解質(zhì)量下具有PEO10LiTFSI粘合劑的Li-S紐扣電池的循環(huán)性能。

粘結(jié)劑對(duì)多硫化物的調(diào)節(jié)作用

圖6.(a)理論計(jì)算模擬顯示最穩(wěn)定的配置和計(jì)算的Li2S與PVP和PVDF結(jié)合物的結(jié)合能，以及含有PVP和PVDF粘結(jié)劑劑的不同電極漿料的光學(xué)顯微鏡和數(shù)碼圖像。(b)AFG粘合劑的分子結(jié)構(gòu)示意圖，在不同的電流倍率下循環(huán)性能

圖7.天然角叉菜膠的分子結(jié)構(gòu)及其與多硫化物的替代反應(yīng)，在聚合物骨架上形成固定化多硫化物，24小時(shí)內(nèi)可溶性多硫化物在不同粘合劑上的視覺吸附效果

其他效果

圖8.具有阻燃性能的無機(jī)聚合物粘結(jié)劑。a)多磷酸銨(APP)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b)基于第一原理模擬的APP粘合劑與Li2S6的吸附構(gòu)象和計(jì)算的結(jié)合能。c)APP和PVDF粘合劑與各種Li-S物質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度的比較。d)APP粘合劑的阻燃過程示意圖。

圖9.具有水溶性的環(huán)境友好型聚合物粘合劑。C-β-CD粘合劑的合成示意圖，復(fù)合硫陰極與β-CD，C-β-CD，PVDF和聚四氟乙烯(PTFE)粘合劑在0.2C下的循環(huán)性能對(duì)比

【總結(jié)與展望】

由于高能量密度，低成本和環(huán)境友好性，Li-S電池是未來商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然而，由于Li-S電池系統(tǒng)的獨(dú)特性和復(fù)雜性，Li-S電池的實(shí)際操作受到庫倫效率低下，循環(huán)壽命較低和低倍率性能的限制。粘結(jié)劑作為電池中必不可少的一部分，起著緩沖體積膨脹/收縮，保持導(dǎo)電碳，活性硫和集電器之間的電接觸的作用，并在循環(huán)過程中穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。為了開辟推動(dòng)Li-S電池商業(yè)化進(jìn)程的新途徑，開發(fā)出具有一些獨(dú)特功能的新興聚合物粘合劑，以解決或緩解Li-S電池中存在的問題是十分迫切的。