導(dǎo)電高分子凝膠是一種擁有廣闊應(yīng)用前景的新型材料,因?yàn)樗仁且环N有機(jī)導(dǎo)體,又繼承了凝膠材料獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì),比如較大的表面積、高孔隙率以及結(jié)構(gòu)可調(diào)控性。近日,德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授團(tuán)隊(duì)利用導(dǎo)電高分子凝膠的這些獨(dú)特性質(zhì),設(shè)計(jì)開發(fā)了新型鋰離子電池粘合劑,有效提高了電池電極的性能。
鋰離子電池的電極通常由電極材料和粘合劑組成。近年來,一大批新型電極材料,尤其是納米結(jié)構(gòu)的電極材料成功合成。然而,這些高性能材料對(duì)鋰離子電池粘合劑的要求也面臨著挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)粘合劑由導(dǎo)電添加劑(通常為碳納米顆粒)和絕緣高分子組成,由于缺乏結(jié)構(gòu)上的良好穩(wěn)定性與相容性,無法實(shí)現(xiàn)電極內(nèi)各種成分的均勻分布,無法同時(shí)保證電極內(nèi)高效的電子和離子傳輸,從而導(dǎo)致電極中傳輸瓶頸的出現(xiàn)。
德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)的基于導(dǎo)電高分子凝膠的新型鋰離子電池粘合劑很好地解決了上述問題。他們采用多官能團(tuán)分子(植酸、酞菁銅等)作為交聯(lián)劑,將導(dǎo)電高分子(聚吡咯)在電極材料分散液中原位聚合并且交聯(lián),形成擁有3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電池電極。該凝膠粘合劑在電極中構(gòu)建了一個(gè)擁有高電導(dǎo)率的骨架,將嵌于其中的電極材料互相連接,從而為每一個(gè)活性材料顆粒提供高效的導(dǎo)電通路。與此同時(shí),三維結(jié)構(gòu)電極中的多孔結(jié)構(gòu)能促進(jìn)電解液在電極中流動(dòng),從而改善離子的傳輸。得益于原位聚合,導(dǎo)電高分子凝膠粘合劑能在每一個(gè)電極材料顆粒的表面形成高分子薄層,從而避免顆粒的聚集,保證了通往每一個(gè)顆粒的電子離子傳輸。以上這些特性保證了電池電極的優(yōu)良倍率性能。另外,得益于高分子材料的粘彈性,凝膠骨架能協(xié)調(diào)電極材料在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的體積變化,從而保證傳輸通路的穩(wěn)定性,提高電極的使用壽命。
導(dǎo)電高分子凝膠粘合劑的特性能通過使用不同交聯(lián)分子進(jìn)行調(diào)控,從而廣泛適用于各種電極材料。另外,該材料制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,有望適用于工業(yè)生產(chǎn),成為下一代商用鋰離子電池粘合劑。
論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603922/abstract
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