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1675 mAh/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 & Environmental Science发表题为“Exploiting a robust biopolymer network binder for an ultrahigh-areal-capacity Li S battery”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19.8 mg/cm2，发挥出超高面积比容量(26.4 mAh/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0.8 mA/cm2下，采用不同粘结剂且负载量为6.5 mg/cm2的硫正极的循环性能。
(b) 在电流密度为0.8 mA/cm2下，负载量为6.5 mg/cm2的S@N-GG-XG电极的面积放电比容量。
(c-d) 在电流密度为1.6 mA/cm2下，负载量为11.9 mg/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0.8 mA/cm2下，负载量为19.8 mg/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(19.8 mg/cm2)，极大提高面积比容量(26.4 mAh/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。