简介：
日本科学家开发出一种新型粘合剂材料，即使在1700次循环后，该材料也可以保护锂离子电池的石墨阳极免于降解。
正文：
锂离子电池的容量会随着时间的流逝而降低，部分原因是保护石墨阳极的粘结剂的降解。为了解决这个问题，日本科学技术大学的科学家正在研究一种新型的共聚物粘合剂，即使在超过1700次充电循环后，它也可以将阳极的容量保持在其原始值的95％。他们的发现可以大大延长电动汽车，人造器官和消费电子产品的电池寿命。
拥有智能手机已超过一年的人最有可能意识到其内置的锂（Li）离子电池所容纳的电量不及该设备新时的电量。锂离子电池的退化是一个严重的问题，极大地限制了便携式电子设备的使用寿命，从而间接导致大量污染和经济损失。除此之外，锂离子电池不是很耐用的事实为电动汽车和可再生能源市场提供了巨大的障碍。考虑到这些问题的严重性，研究人员一直在积极寻求改进锂离子电池最新设计的方法也就不足为奇了。
锂离子电池容量随时间下降的主要原因之一是广泛使用的石墨阳极（电池的负极端子）的退化。阳极与阴极（或正极端子）和电解质（或在两个端子之间携带电荷的介质）一起提供了一个环境，在该环境中可以发生用于电池充电和放电的电化学反应。但是，石墨需要粘合剂以防止其随着使用而散落。当今使用最广泛的粘合剂，聚偏二氟乙烯（PVDF）具有一系列缺点，使其与理想材料相去甚远。
为了解决这些问题，日本高级科学技术研究院（JAIST）的一组研究人员正在研究一种由双亚氨基烯对苯二酚对苯撑（BP）共聚物制成的新型粘合剂。他们的最新研究发表在ACS Applied Energy Materials上，由松井纪良教授领导，还包括Tatsuo Kaneko教授，Rajashekar Badam高级讲师，博士生Agman Gupta和前博士后研究员Aniruddha Nag。
那么，在哪些方面，BP共聚物的性能优于传统的石墨阳极用PVDF粘合剂？首先，BP粘合剂具有明显更好的机械稳定性和对阳极的附着力。这部分是由于双亚氨基烯醌基团与石墨之间的所谓π-π相互作用，也归因于共聚物的配体与电池铜集电器的良好粘合。其次，BP共聚物不仅比PVDF导电得多，而且还形成了更薄的导电固体电解质界面，且电阻较小。第三，BP共聚物不容易与电解质反应，这也极大地防止了其降解。
用于锂离子电池石墨阳极的新型共聚物粘合剂
（BP共聚物具有多项优势，在稳定性和耐用性方面均领先于传统PVDF粘合剂。图片提供：日本科学技术大学的松本纪良（Noriyoshi Matsumi））
研究人员通过实验测量证明，所有这些优点相结合，导致了一些重大的性能改进。“使用PVDF作为粘合剂的半电池在约500次充放电循环后仅显示其原始容量的65％，而使用BP共聚物作为粘合剂的半电池在经过1700次这样的循环后显示出95％的容量保持率”，松见教授强调说。基于BP共聚物的半电池还显示出非常高和稳定的库仑效率，这种方法可以比较给定周期内流入和流出电池的电荷量；这也表明循环前后用扫描电子显微镜拍摄的粘合剂图像显示，在BP共聚物上仅形成了微小的裂纹，而在PVDF上仅形成了很小的裂纹，不到总数的三分之一循环数。
这项研究的理论和实验结果将为开发持久的锂离子电池铺平道路。反过来，这可能会产生深远的经济和环境后果，正如Matsumi教授解释的那样：“耐用电池的实现将有助于开发可长期使用的更可靠的产品。这将鼓励消费者购买更昂贵的电池。基于资产像电动汽车，这将被用于许多年。 “他还评论说，耐久的电池将是那些依赖人工器官，如患者有某些心脏疾病的好消息。当然，考虑到每天使用和充电多少智能手机，平板电脑和笔记本电脑，普通民众也将从中受益。
电极粘合剂的进一步发展有望使我们更接近耐用的电池产品和更绿色的未来。这项研究得到了JST-Mirai计划的资助（授予的专利号JP18077239）
参考文献：Bis-imino-acenaphthenequinone-Paraphenylene-Type Condensation Copolymer Binder for Ultralong Cyclable Lithium-Ion Rechargeable Batteries，ACS Applied Energy Materials，DOI:10.1021/acsaem.0c02742
本文资料来源：日本高级科学技术研究院（JAIST），仅供参考学习。