湘潭大学魏同业博士、阳梅副教授、中科院化学所曹安民研究员EES: 锂离子电池水性粘结剂研究取得新进展

2023-12-01    点击:

近日,湖南先进传感与信息技术创新研究院魏同业博士、化学院阳梅副教授、中科院化学所曹安民研究员合作在国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》上在线发表了题为“一种酯化增强静电/氢键自组装水性导电胶黏剂用于稳定高面积容量锂离子电池研究”(A New Universal Aqueous Conductive Binder via Esterification Reinforced Electrostatic/H-boned Self-assembly for High Areal Capacity and Stable Lithium-lon Batteries)。此论文张发容、夏红玉为共同第一作者,魏同业博士、阳梅副教授、曹安民研究员为共同通讯作者,我校为论文的第一单位。

目前,商用LIBs通常使用聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂,PVDF分子之间的弱范德华作用无法承受Si体积膨胀引起的应力,导致电池容量迅速衰减。此外,极片的制备需以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,NMP的毒性使得材料回收和循环利用成本增加。传统的聚合物粘结剂因粘结性和力学性能不足,在反复充放电过程中无法适应巨大的体积变化并保持活性颗粒间的稳定连接。因此亟待开发绿色环保兼具柔性及强粘附性的水溶性粘结剂。

在此,团队设计构筑了一种新型导电水性粘结剂,该粘结剂(APA/CNT)由6-氨基-1-己醇与商用聚丙烯酸(PAA)的中和产物与高导电性的酸化CNTs交织而成,实现了对Si/C负极和LiFePO4正极材料的高效粘结。APA/CNT通过酯化增强静电/ H键自组装形成了坚固的导电弹性网络,连续的导电骨架可以通过高效和坚固的“片对点”粘结模式分离和固定活性纳米颗粒,赋予电极出色的结构和界面稳定性以及增强的导电性。所制备的Si/C负极,即使在15 mg cm-2的高质量负载下,也表现出优异的循环稳定性和高倍率性能,并能获得7.79 mAh cm-2的高面积容量,远超基于其他粘合剂的Si/C负极。此外,基于APA/CNT的全电池亦显示出增强的电化学行为和循环稳定性。这种简单易行的方法为设计合成具有成本效益、通用且环保的粘合剂提供了一种新方法。

魏同业(通讯作者),湘潭大学湖南先进传感与信息技术研究院讲师,硕士生导师,2023年度湖南省优秀青年科学基金获得者。课题组主要从事先进功能材料及微型储能器件设计应用及相关理论研究,致力于电池存储机制、老化机制、热失控行为、电池个体差异性演化和早期预警研究。在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.、Nano Energy等国际权威期刊上发表论文20余篇,目前论文累计被引超800余次,主持国家及省部级项目6项。

阳 梅(通讯作者),湘潭大学副教授,硕士生导师。主要从事聚合物基多孔碳材料以及聚合物粘结剂的设计、合成及其应用。曾获得2018年湖南省优秀博士学位论文、湖南省科技进步三等奖、湖南省专利一等奖、湖南省第12届自然科学优秀学术论文一等奖,在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal.等刊物上发表多篇论文。

曹安民(通讯作者),中国科学院化学研究所研究员。课题组工作聚焦于电极材料表界面调控,致力于纳米能源化学研究,获得兼具高比能、高功率、高稳定性的储能器件。代表性成果发表在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.及Adv. Mater.等国际著名杂志上。目前承担或参与了国家杰出青年基金(2020)、基金委重点、中科院前沿科学研究等项目。

文章链接:https://pubs.rsc.org/da/content/articlelanding/2024/ee/d3ee02377j

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