隨著電動汽車和規(guī)模化儲能市場的快速發(fā)展，對鋰離子電池能量密度的要求日益提高。高鎳層狀氧化物正極材料（如LiNi?Co_yMn_zO?）因其高比容量成為研究熱點。為了提升電池能量密度，制備高載量厚電極至關(guān)重要，但這會加劇機械和界面應(yīng)力，影響循環(huán)穩(wěn)定性。本文介紹一種既能牢牢粘接活性物質(zhì)，又能彈性緩沖機械應(yīng)力，還可促進鋰離子傳輸的新型聚合物刷網(wǎng)絡(luò)粘結(jié)劑為高能量密度鋰電池帶來全新解決方案。

傳統(tǒng)粘結(jié)劑遇瓶頸

Millennial Lithium

在厚電極中，重復(fù)循環(huán)期間整個電極層的反復(fù)壓縮和松弛會導(dǎo)致嚴重的內(nèi)應(yīng)力積累，加速界面分層和結(jié)構(gòu)失效。

聚偏氟乙烯（PVDF）作為傳統(tǒng)正極粘結(jié)劑，在高鎳厚正極中表現(xiàn)不足：對活性物質(zhì)和集流體的粘附力弱，電極容易分層；缺乏彈性，無法適應(yīng)顆粒重排；離子電導(dǎo)率有限，會促進電阻性界面層形成。

三合一創(chuàng)新設(shè)計

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研究團隊通過精巧的分子設(shè)計，開發(fā)出多功能聚合物刷網(wǎng)絡(luò)粘結(jié)劑。該材料通過共價交聯(lián)聚偏氟乙烯接枝聚丙烯酸與聚乙二醇二縮水甘油醚制備而成，整合了三大關(guān)鍵功能：

聚合物刷網(wǎng)絡(luò)粘結(jié)劑的設(shè)計與功能貢獻。（a）通過PB與PEGDGE交聯(lián)制備PBN粘結(jié)劑的合成路線。（b）通過后交聯(lián)過程使用PBN粘結(jié)劑制備NCM正極的示意圖

強粘附力：富含羧酸的PAA側(cè)鏈通過氫鍵與NCM表面和集流體緊密結(jié)合

偽彈性恢復(fù)：共價交聯(lián)的刷狀網(wǎng)絡(luò)提供卓越的彈性應(yīng)力消散能力

增強鋰離子傳輸：PEG鏈段為鋰離子提供高效配位和傳輸路徑

卓越的機械性能

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力學(xué)測試結(jié)果顯示，PBN粘結(jié)劑表現(xiàn)出獨特的性能組合，幾乎恢復(fù)了PVDF的初始伸長率，同時顯著提高了楊氏模量。這種剛度與彈性的同步增強在聚合物材料中尤為難得。

三種粘結(jié)劑的機械性能對比。（a）通過拉伸測試獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。（b）根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線確定的每種粘結(jié)劑的楊氏模量、極限抗拉強度和韌性比較

循環(huán)加載卸載測試中，PBN在十個連續(xù)循環(huán)中幾乎無滯后，展示了真正的偽彈性行為。蠕變恢復(fù)測試中，PBN實現(xiàn)了近80%的應(yīng)變恢復(fù)，顯著高于PB的60%和PVDF的45%。

優(yōu)異的實際應(yīng)用表現(xiàn)

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粘附性能測試顯示，PB的平均剝離力約為PVDF的三倍，而PBN在保持高粘附力的同時表現(xiàn)出更穩(wěn)定的剝離曲線。

在實際電極加工中，差異更加明顯：基于PVDF和PB的正極出現(xiàn)表面裂紋和活性物質(zhì)分散不均，而PBN正極呈現(xiàn)均勻顆粒分布，無可見裂紋。在高載量條件下，PVDF正極無法完成加工，PB正極出現(xiàn)部分剝離，唯有PBN正極保持完好的結(jié)構(gòu)完整性。

電化學(xué)測試結(jié)果令人振奮：PBN電池在0.5C循環(huán)條件下展現(xiàn)出比PVDF和PB電池更長的壽命。盡管PB具有高粘附強度，但其電池性能并未優(yōu)于PVDF，表明單一強粘附不足以確保良好的電化學(xué)性能。

NCM正極的粘附性能和結(jié)構(gòu)完整性。（a）使用PVDF、PB和PBN制備的NCM正極的180°剝離測試力位移曲線。（b）相應(yīng)的平均剝離力值

在高倍率測試中，PBN電池在2C循環(huán)下表現(xiàn)出最高的容量保持率和放電容量。理論計算表明，PBN中的PEG部分為鋰離子提供了熱力學(xué)上有利的配位位點，有效降低了擴散能壘。

循環(huán)后分析驗證穩(wěn)定性

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拆解循環(huán)后的電池發(fā)現(xiàn)，PVDF電池中復(fù)合層部分剝離，碎片附著在隔膜上，而PBN電池與集流體保持完整接觸。更令人驚訝的是，PBN電池中的鋰金屬負極形成致密均勻的鋰層，而PVDF電池中出現(xiàn)多孔枝晶狀沉積。

微觀結(jié)構(gòu)分析顯示，PVDF正極出現(xiàn)嚴重表面開裂和內(nèi)部微裂紋，而PBN正極結(jié)構(gòu)損傷極小。表面分析技術(shù)進一步證實，PBN有效抑制了電解質(zhì)分解和過渡金屬溶解，保持了更穩(wěn)定的界面化學(xué)環(huán)境。

這項研究強調(diào)了粘結(jié)劑分子架構(gòu)在控制電池機械和電化學(xué)穩(wěn)定性方面的重要性。PBN粘結(jié)劑通過精巧的分子設(shè)計，成功解決了高鎳正極特別是厚電極應(yīng)用中的三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)，為下一代高能量密度鋰離子電池的發(fā)展開辟了新道路。

該技術(shù)不僅適用于電動汽車領(lǐng)域，在規(guī)模化儲能、便攜式電子產(chǎn)品等方面同樣具有廣闊應(yīng)用前景，標志著鋰電池材料設(shè)計向多功能集成化邁出重要一步。

原文參考：A multifunctional polymer brush network binder for high-nickel cathodes: architecture-driven elastic recovery, adhesion, and Li+ transport

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