浙江大學林展教授課題組在Energy Environ.Sci.合作發表論文

（原標題：浙江大學林展教授課題組在Energy Environ. Sci.合作發表論文）【引言】鋰硫電池具有高達1675 mAh/g的理論容量，是下一代電池候選者。為得到更高的能量密度，亟需高負載的硫電極。然而，鋰硫電池存在很多的問題，包括穿梭效應、充放電過程大體積變化，以及硫導電性差等，這些問題在高負載的鋰硫電池中更嚴重，而且更厚的極片也更易導致電極材料發生破裂和脫落。通過精心設計電極結構可以獲得高負載的鋰硫電池，但這勢必採用複雜的製備工藝，不適合廣泛的應用。粘結劑是電極材料重要的組分之一，起到粘結活性材料和集流體的作用並保持極片的完整性。更重要的是，粘結劑的官能團和活性材料相互作用可提高電化學性能。從這角度出發，採用高效的粘結劑可以獲得高負載的鋰硫電池。【成果簡介】近日，浙江大學林展教授和澳大利亞格里菲斯大學張山青教授(共同通訊作者)在Energy & Environmental Science發表題為「Exploiting a robust biopolymer network binder for an ultrahigh-areal-capacity Li S battery」的文章，介紹一種高效粘結劑，可以極大地提高鋰硫電池的面積比容量。研究人員採用無毒、低成本的瓜兒豆膠(GG)和黃原膠(XG)為原料，利用二者的分子間結合作用，形成強韌的生物聚合物三維網路粘結劑(N-GG-XG)。瓜兒豆膠和黃原膠都富有含氧官能團，可以有效結合多硫化物。在這種粘結劑有力結合下，硫活性材料負載量可高達19.8 mg/cm2，發揮出超高面積比容量(26.4 mAh/cm2)。並且這種粘結劑是在水系環境中使用，又可避免了有機溶劑的使用。【圖文導讀】圖1：GG和XG的分子間相互作用(a-b) 分別是GG和XG的化學結構。(c) GG和XG之間的分子間結合作用的示意圖。(d) 分子間結合作用形成的聚合物網路示意圖。(e) GG、XG、N-GG-XG的FTIR光譜。一些官能團的特徵峰發生偏移，證明GG和XG發生相互作用。圖2：電化學性能測試(a) 0.5C下S@N-GG-XG電極的恆流充放電曲線。(b) 0.1mV/s下S@N-GG-XG電極的循環伏安曲線。(c) 0.5C下採用不同粘結劑的硫正極的循環性能。(d) S@N-GG-XG電極的倍率性能。(e) 0.5C下S@N-GG-XG電極的超長循環性能。圖3：高負載量的電極電化學性能(a) 在電流密度為0.8 mA/cm2下，採用不同粘結劑且負載量為6.5 mg/cm2的硫正極的循環性能。(b) 在電流密度為0.8 mA/cm2下，負載量為6.5 mg/cm2的S@N-GG-XG電極的面積放電比容量。(c-d) 在電流密度為1.6 mA/cm2下，負載量為11.9 mg/cm2的S@N-GG-XG電極的循環性能和庫倫效率。圖4：力學性能評價(a) S@N-GG-XG電極的原位3D納米劃痕圖像，其光滑的劃痕軌跡證明更能容納大體積變化。(b) 不同粘結劑的硫電極的摩擦係數(納米劃痕測試獲得)。從中得知N-GG-XG具有更高的粘附力。(c-d) 分別是不同粘結劑的硫電極的摺合模數和硬度(納米劃痕測試獲得)。S@N-GG-XG電極具有較高的適合的摺合模數和硬度，有利於大體積變化的循環穩定性。圖5：超高負載量S@N-GG-XG電極的性能(a) 在電流密度為0.8 mA/cm2下，負載量為19.8 mg/cm2的S@N-GG-XG電極的循環性能。(b) 對比近期研究粘結劑的文獻中硫正極的負載量。(c) 對比近期文獻中鋰硫電池的面積比容量和負載量。(d) 鋰硫扣式電池為電子秒錶提供動力。插圖為鋰硫扣式電池點亮發光二極體。【小結】利用GG和XG之間的分子間結合作用製備的N-GG-XG粘結劑，可高效提高鋰硫電池的負載能力(19.8 mg/cm2)，極大提高面積比容量(26.4 mAh/cm2)。實驗結果印證了作者的觀點，即採用簡單高效的粘結劑也可獲得高能量密度的電池。這項工作將激勵人們探索適用於高能量密度電池的新型粘合劑。

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