電動汽車等大規(guī)模儲能應用的高速發(fā)展對鋰離子電池的性能提出了更高的要求。高性能電池系統(tǒng)的發(fā)展需要對每一個電池組件進行優(yōu)化，包括電極材料、電解液以及粘結劑。傳統(tǒng)鋰離子電池的粘結劑系統(tǒng)由絕緣聚合物和導電添加劑的混合物組成。在制備電池電極時，導電相和活性材料隨機分布，通常會導致較差的電子和離子傳輸能力。當使用高容量電極材料時，電化學反應產(chǎn)生的高應力會破壞傳統(tǒng)粘結劑系統(tǒng)的機械完整性，導致電池的循環(huán)壽命下降。因此，設計能夠提供穩(wěn)定、低阻、連續(xù)的內(nèi)部通路以連接電極的所有區(qū)域的新型粘結劑系統(tǒng)至關重要。

近日，應邀于美國化學會（ACS）的著名期刊AccountsofChemicalResearch,德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授（通訊作者）和石燁博士，周星怡博士生基于近期發(fā)表的關于新型鋰離子電池粘結劑系統(tǒng)的合成、應用以及機理研究方面的工作，系統(tǒng)總結了高性能粘結劑體系材料與結構設計的最新進展，分析了研究粘結劑電化學機理的模擬與表征方法，最后展望了未來多功能電池粘結劑的發(fā)展（圖1）。

圖1新型鋰離子電池粘結劑的材料與結構設計以及機理研究

文章首先介紹了具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結劑中的應用。它們能與活性材料產(chǎn)生較強的結合力，使電極材料在電化學反應中保持結構穩(wěn)定，從而達到高容量以及優(yōu)異的循環(huán)性能（圖2a）。然而，基于絕緣聚合物的粘結劑系統(tǒng)仍然需要導電添加劑的使用，阻礙了電池能量密度的進一步提升。與此不同，基于導電聚合物的多功能粘結劑能同時起到粘合以及導電作用，從而得到了廣泛的研究。

在一系列研究中，研究人員通過在主鏈上引入不同功能基團對導電聚合物進行分子結構的調(diào)控，在不影響電學特性的前提下，提升了粘結劑的機械以及溶脹性能（圖2b）。余桂華課題組則通過對導電聚合物微結構的調(diào)控，發(fā)展了具有三維網(wǎng)絡結構的導電高分子凝膠，并將其應用于電池粘結劑中（圖2c）。這種導電高分子凝膠的結構與性質高度可調(diào)，其三維結構不僅可以促進電子和離子在電極中的傳輸，還能提升電極的穩(wěn)定性，并改善活性顆粒的均勻分布。

文章繼續(xù)介紹了粘結劑機理研究方面的工作，包括模擬計算以及先進表征手段的應用，并總結了未來新型粘結劑系統(tǒng)的設計準則。

圖2（a）具有豐富羧基的絕緣聚合物在電池粘結劑中的應用。（b）通過在主鏈上引入不同功能基團對導電聚合物粘結劑進行分子結構的調(diào)控。（c）導電高分子凝膠的合成以及在新一代電池粘結劑中的應用