广东省科学院生医所谢东Small综述:用于高性能锂离子电池的聚丙烯酸基水性粘结剂-从分子结构设计到性能研究

学术   2024-11-05 12:55   江苏  
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锂离子电池(LIBs)因其具有高比能量、高比容量和长寿命等优点被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车(EVs)及储能设备领域。随着对高功率锂电池需求的不断增长,硅(Si)作为负极材料凭借其理论比容量高(4200 mAh g-1)而备受关注。然而,Si充放电过程中会发生剧烈的体积膨胀(>300%,导致颗粒破碎粉化,电池容量迅速衰减。为解决这一问题,研究人员提出了一系列策略,包括材料纳米化、复合结构构建、电解质改性以及新型粘结剂的开发等。其中,开发新型聚合物粘结剂被认为是缓解Si体积膨胀问题的有效方法之一。


聚丙烯酸PAA)及其衍生物由于含有高密度的极性-COOH官能团,能够与Si颗粒表面-OH形成共价键或氢键,有效缓解Si颗粒的体积变化,确保电极在循环过程中的结构完整性;同时还增强了Li+传输能力,降低了电极极化,提高了SEI膜的稳定性,因此PAA成为锂离子电池的理想粘结剂之一。



近日,广东省科学院生物与医学工程研究所谢东高级工程师Small上发表了最新综述论文“Poly(Acrylic Acid)-Based Polymer Binders for High-Performance Lithium-Ion Batteries: From Structure to Properties”。该文章系统介绍了PAA基水性粘结剂在锂离子电池负极中的应用进展,重点介绍了PAA基粘结剂与活性物质之间作用机制、PAA基聚合物的设计思路与改性方法,详细讨论PAA粘结剂在电极材料中应用特性。广东省科学院生物与医学工程研究所钟柳博士为该论文第一作者。



作者首先对比了传统的油性PVDF粘结剂、水性CMC粘结剂与水性PAA粘结剂之间的优劣势,简短介绍了锂离子电池粘结剂所需具备的特性以及PAA粘结剂所面临的问题。为解决这些问题,研究人员从PAA基聚合物的共混改性以及共聚改性等多种策略出发,重点评估了PAA基粘结剂在增强Si负极的粘附性、促进离子传输和保持电极结构完整性方面的潜力并深入探讨了聚合物的结构与物理化学特性对电池初始库仑效率和循环稳定性等关键电化学性能的影响。


本综述从粘结剂的先进制备技术(包括构建共价键及分子间弱相互作用力、催化丙烯酸与功能性单体共聚、PAA碱性调控、有机-无机复合改性);PAA基聚合物分子结构设计(包括柔性与刚性分子链段协同设计、支链结构优化构建、引入可逆价键);赋予PAA新的功能(阻燃、导电、抗氧化性能)等方面详细介绍了PAA基粘结剂的物理和化学改性方法。阐明这些聚合物的结构和特性如何影响锂离子电池的电化学性能。研究表明,定制化PAA基粘结剂在有效缓解Si的体积膨胀提升锂离子电池电化学性能方面发挥了重要的作用,为先进电池材料的设计与应用提供了重要参考。这些进展将有助于推动高性能锂离子电池的发展,以满足未来的发展需求。


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202407297


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