Page 47 - 《精细化工》2020年第3期

第 3 期 邹树良，等: 锂硫电池功能化粘结剂的研究进展 ·465·

综上所述，利用粘结剂表面的官能团与活性材 CHEN 等 [39] 通过己二异氰酸酯和聚乙烯亚胺的聚合
料的物理吸附或较强的化学键作用力，对阴极活性 作用设计合成了一种新型含铵基官能团的粘结剂，
材料进行修饰抑制穿梭效应提高活性物质利用率， 与传统的聚合物粘结剂相比，该粘结剂有特定的超
已成为提高锂硫二次电池电化学性能最重要的方法 支化网络结构和丰富的铵基，提供了强大的亲和力
之一。高分子聚合物改善电极材料充放电过程中体 吸收多硫化物中间体。实验结果证实，锂硫电池循
积效应的成功应用，有助于科研工作者更加深刻地 环性能显著改善，在 2 C 倍率下循环 600 圈电容保
理解粘结剂的性能要求。更为重要的是这一开创性 持率高达 91.3%。LING 等 [25] 利用聚季铵盐（PQ）
的发现拓宽了粘结剂的研究领域，同时也为高性能 作为锂硫电池体系的粘结剂，利用高密度季铵盐阳
锂硫电池用粘结剂的设计与研究提供了一种思路。 离子与多硫化物阴离子的静电作用力捕获带负电荷
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2.1.2 电荷效应抑制多硫化物扩散 的 S x (x=16)抑制“穿梭效应”。PQ 聚合物被固定在
利用多硫化物阴离子和锂离子的荷电属性差 电极中的碳材料上，由于季铵离子带正电荷，利用
2–
异，通过静电引力作用可实现抑制多硫化物阴离子 静电吸引力将带负电荷的 S x 固定并限制在聚合物
的扩散，有效提升电池的电化学性能。在锂硫电池 上，其机理如图 2 所示。锂硫电池体系中，当电极
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体系中，阳离子能够捕获多硫化物阴离子抑制“穿梭 片中硫负载量为 7.5 mg/cm 时，最高初始面比容量
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2
效应”。极性铵基基团能有效抑制多硫化物的溶解， 为 9.0 mA·h/cm ，循环容量维持在 7.0 mA·h/cm 。

图 2 季铵盐阳离子与多硫化物阴离子之间的静电引力示意图 [25]
Fig. 2 Electrostatic attraction between the quaternary ammonium cations and polysulfide anions [25]

2.1.3 电化学氧化还原作用抑制穿梭效应 基-1-哌啶酮-4-基丙烯酸甲酯）（PTMA），一旦通过
虽然物理的空间限域或化学吸附及静电相互作 原位电化学氧化激活，该聚合物便可作为高性能锂
用能够有效地缓解可溶性多硫化物的迁移和扩散， 硫电池的捕获剂和具有催化性能的粘结剂。活化的
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但多硫化物在阴极区电解液中的积累仍然是不可避 PTMA 与多硫化物间具有较强的键合力，同时其又
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免的。通过粘结剂对多硫化物氧化还原动力学的促 可以提供额外的 PTMA 辅助的氧化还原活性点位，
进作用，提升其电化学转化，降低在阴极区的富集， 改善阴极反应速率。这种新型的多功能添加剂能够
可以有效地减轻由浓度梯度驱动的多硫化物穿梭效 有效提高锂硫电池的循环寿命，尤其是倍率性能（约
应，提高活性硫的利用率 [40-42] 。CHEN 等 [43] 报道了 提高 80%）。在充放电电流为 0.25 C 时，放电比容
一种稳定的有机自由基聚合物——聚（2,2,6,6-四甲 量和库伦效率分别为 1254 mA·h/g 和 96%（见图 3）。

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图 3 具有氧化还原活性的 PTMA 粘结剂在阴极内部的氧化还原过程示意图（a）及其电化学性能（b，c） [43]
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Fig. 3 Schematic illustration of the redox processes inside the cathode with activated PTMA and the electrochemical properties [43]