Page 45 - 《精细化工》2020年第3期
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第 3 期                         邹树良，等:  锂硫电池功能化粘结剂的研究进展                                    ·463·


            导电剂和集流体并使它们之间具有整体连续性和良                             水性粘结剂。油性粘结剂主要采用有机溶剂为分散
            好机械性能的材料，其主要作用是粘结和保持活性                             介质，价格昂贵且对环境有一定的污染，不利于电
            物质，稳定电池极片的结构和减少电极的阻抗等，                             池的清洁生产；水性粘结剂以去离子水为分散介质，
            对电极乃至整个电池的性能(内阻、容量、循环寿命、                           无毒、无污染且价格低廉，备受国内外学者的关注，
            比能量等)均有很大的影响            [4-6] 。若能以粘结剂的视            掀起了广泛的研究热潮          [2,11-12] 。
            角着手改善锂硫电池的以上问题，可为提高锂硫电
            池性能的研究开辟一条新的道路，同时也将成为材                             2   功能化锂硫电池电极粘结剂
            料科学一个重要的研究方向。本文从粘结剂功能化                                 在锂硫电池系统中，因其具有多电子反应特性，
            设计的角度综述了面向抑制多硫化物扩散的粘结                              粘结剂除粘结活性物质稳定电极片结构之外，还可
            剂、稳定电极片的多维度粘结的粘结剂和低界面电                             通过多功能化发挥更大作用，提升其电化学性能，
            阻粘结剂的研究进展。提出了用于锂硫电池功能化                             主要体现在：
            粘结剂应具备的结构和性能特点，以期望能为锂硫                                （1）通过抑制多硫化物的“穿梭效应”等副反应，
            电池粘结剂的设计和选择提供思路。                                   提升锂硫电池的库伦效率；
                                                                  （2）优化粘结剂的结构设计，多维度粘结粉体，
            1    锂硫电池粘结剂粘结机理和分类
                                                               解决锂硫电池在循环过程中因体积形貌的变化造成
            1.1    粘结剂的粘结机理                                    粉体材料脱落和硫正极中活性材料利用率低的问
                 粘结剂是锂硫电池中辅助组件的核心材料之                           题，大幅提升锂硫电池的循环稳定性；
            一，是电极制作过程中必不可少的关键材料。对于                                （3）通过粘结剂的分子结构设计，制备具有离
            锂硫电池体系而言，粘结剂需要具备良好的粘结性                             子传输功能的粘结剂，提高电极片的离子电导率，
            能粘结电极活性物质、导电剂和集流体，以保障电                             从而改善锂硫电池的电化学性能。
            极片中电子的紧密接触和结构稳定性，同时由于粘                                 本文针对锂硫电池中多功能粘结剂以上三个主
            结剂所处环境特殊，还需具备抵抗挤压和撞击等外                             要功能展开综述。
            在因素的能力。2012 年，美国阿贡实验室 ZHANG                        2.1   抑制多硫化物扩散的多功能粘结剂
              [7]
            等 研究证实了锂硫电池在充放电过程中阴极材料                                 锂硫电池中多硫化物的溶解和穿梭即“穿梭效应”
            的体积会发生膨胀与收缩，活性物质可能会从集流                             及其导致的副反应是电池性能恶化的重要原因                    [13-16] 。
            体中脱落，造成其利用率偏低，主要原因是充电过                             尽管科研工作者在硫宿主材料            [6,17-19] 和功能性隔膜 [20-22]
            程中单质硫转化为长链多硫化物，溶解在电解液中                             方面对多硫化物进行物理限域取得了一定的突破，
            形成中空结构，在电极反应的最后阶段才被氧化成                             而通过粘结剂对多硫化物进行锚定也是不容忽视的
            固态硫来填充空位。基于此，锂硫电池电极粘结剂                             一个重要手段      [15] 。
            除具备良好的粘结性、化学和电化学稳定性、柔韧                                 研究发现，通过多功能粘结剂的设计可以实现
                             [2]
            性、低杨氏模量外 ，还必须兼备锚定活性硫及多                             对多硫化物跨膜扩散的抑制，从而提升锂硫电池库
            硫化物抑制“穿梭效应”的功能，保证硫电极在充放                            伦效率等性能。利用多硫化物阴离子和锂离子在物
            电过程中的离子导电性和结构稳定性，提高活性物                             理化学吸附行为、荷电属性和空间位阻方面的差异，
            质利用率，实现锂硫电池长期循环的功能                    [8-9] 。      获得一种多功能粘结剂材料，该材料可通过物理化
            1.2   分类                                           学吸附、静电引力效应和空间位阻效应三种手段抑
                 锂硫电池电极粘结剂根据其与粉体材料粘结形                          制多硫化物在电极中的扩散。
            态不同可分为点型、线型和体型〔三维网络（3D）                            2.1.1    吸附效应抑制多硫化物扩散
            或超支化〕三大类。点型粘结剂主要有聚四氟乙烯                                 利用多功能粘结剂对多硫化物的吸附作用可以
            （PTFE）乳液和丁苯橡胶（SBR），这类粘结剂与                          实现锂离子的选择性透过，抑制多硫化物的扩散。
            粉体和集流体以点的方式连接，结合面小，因此，                             主要分为两类：第一类是通过多硫化物与功能层之
            制备的极片颗粒间缺乏长程连接，抗拉强度较低。                             间较强的物理吸附实现多硫化物的锚定；第二类是
            线型粘结剂主要包括传统的聚偏氟乙烯（PVDF）、                           通过多硫化物与功能层之间较强的化学键作用实现
            聚电解质高分子、聚丙烯酸（PAA）和聚乙烯醇                             多硫化物的锚定       [12,23-26] 。
            （PVA）等，不同粘结剂的性能差异较大。体型粘                                在硫电极表面修建阻挡聚硫离子迁移的壁垒，
            结剂主要是树脂型和网络结构或超支化结构粘结                              提高活性材料的利用率是解决该难题较为便捷的方
            剂，这类粘结剂通常具有多功能性                [1,10] 。            式 [16,27-29] 。2014 年，LACEY 等 [11] 利用聚氧化乙烯
                 粘结剂还可以依据分散介质分为油性粘结剂和                          （PEO）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）混合物作为锂
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