一种全新粘结剂 构建柔性锂硫电池

　　“物联网”的迅速发展正在引发集成电路的发展，同时也使得具有柔性以及高能量密度的电池体系引发越来越多的关注。在已有的大多数有关柔性电池，尤其是具有高能量密度的锂硫电池体系的报道中，体系的柔性没有得到非常系统的表征。

　　而对于有所阐明的少数报道，或是采用了没有电化学活性的粘结剂，或者是基于非商业化的碳材料，甚至在合成制备过程中采用了危险化学试剂。因此，这些对于柔性的锂硫电池的产业化发展仍然没有现实指导意义。

　　基于上述现状，近日美国奥斯汀大学的Arumugam Manthiram课题组采用聚吡咯和聚氨酯纳米复合物为粘结剂，并选用商用碳毡作为柔性集流体，实现了柔性高能量密度的电池体系(见图1)。

　　图1. 电极的制备过程

　　该粘结剂的选择具有双重意义，首先高度共轭的聚吡咯纳米颗粒能够在聚氨酯基底中形成电渗流的导电网络;其次具备高弹性的聚氨酯基底使得复合物本身具有非常好的柔性，而且能够为锂硫电池工作过程中产生的体积膨胀提供缓冲空间，进而能够提升体系的循环稳定性。

　　如图2中所示，采用了聚吡咯和聚氨酯纳米复合物(PPyPU)的体系相比于传统的采用PVdF的体系，其对应的CV曲线拥有更尖锐的峰，此外氧化峰和对应的还原峰之间的电势差(ΔEp)也更小。这些均体现出该PPyPU体系的计划倾向相较于PVdF对应的体系更小，即其系统具有更好的电子传输能力。

　　图2. 分别采用PVdF或PPyPU为粘结剂的体系的CV曲线

　　图3给出了含有PPyPU体系的循环及倍率测试性能。其中，图3a的测试结果反映了假使将充放电电压区间增大之后，PPyPU在体系中的确是由于其电化学活性而提供了一小部分容量。

　　而这样带来的一个负面结果是由于可能的电解液的分解而造成的体系的库伦效率的迅速下降。而这种迅速下降可以简单的通过减小扫描区间(图3b)或者提高电解液当中的硝酸锂的含量来避免。

　　而图3d是很直观的反映出体系的优异倍率特性，在两周的倍率测试下，其对应倍率的容量数值相差不多。尽管在2C倍率下体系的容量衰减非常显着，但是考虑到该体系中并没有采用外集流体，且硫负载比例为70wt%，其仍具有非常明显的倍率优势。

　　图3. 采用PPyPU为粘结剂的体系的循环及倍率测试性能

　　作者们采用SEM观察了分别使用PVdF以及PPyPU体系的电极材料的形貌在不同阶段的变化。如图4所示，采用PVdF为粘结剂的情况，明显的活性物质更加容易从碳纤维的表面脱落，这也是造成其容量衰减更快的原因。

　　而相反的，采用PPyPU能够实现更紧密的粘结效果，无论是在物理形变或者电化学循环的作用之下，其均能实现比较良好的粘结效果，使得活性物质不致脱离碳纤维表面，也因此其对应体系能够拥有更加良好的循环稳定性。

　　图4. 采用PVdF以及PPyPU为粘结剂的电极的在不同阶段的形貌

　　该项成果最近刊登在知名刊物Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201601665)上，文章标题“An Elastic, Conductive,Electroactive Nanocomposite Binderfor Flexible Sulfur Cathodes in Lithium–Sulfur Batteries”。

　　相关研究成果于近期发表在知名期刊ACS Nano上。

　　DOI: 10.1021/acsnano.6b05063. Guo Y, Liu C, Yin Q, et al.Distinctive In-Plane Cleavage Behaviors of Two-Dimensional Layered Materials. ACS nano, 2016.