近日，我院方晓亮教授课题组在用于构建高硫负载锂硫电池的新型导电粘结剂上有突破性进展。相关研究结果以“Conductive inks composed of multicomponent carbon nanomaterials and hydrophilic polymer binders for high-energy-density lithium-sulfur batteries”为题发表在能源领域知名国际期刊Energy Storage Materials, 2022, 49,236-245上（IF = 17.789)。
载硫客体材料的相关研究快速推动了锂硫电池的性能提升，但是较低的硫载量使得硫正极很难发挥硫的高能量密度优势，限制了锂硫电池的实际应用。因此，制备高载量硫正极是构建高能量密度锂硫电池的一个关键环节。采用商业零维导电添加剂（Super P）和商业粘结剂（PVDF或丙烯腈多元共聚物LA132/133）的传统调浆涂布工艺，在电极制备过程中易出现极片开裂、电子/离子传输路径不连续等问题，难以获得高性能、高载量硫正极。而近年来针对高载量硫正极开发的自支撑电极结构和天然粘结剂等策略，由于制备工艺复杂以及高黏度等原因，商业应用潜力有限。如何基于传统调浆涂布工艺发展构建高硫负载锂硫电池的有效策略仍面临挑战。
方晓亮教授课题组发现了一类用于制备高载量硫正极的水性导电油墨（Water-based conductive inks，WCI）。该水性导电油墨由多组分碳材料和亲水聚合物组成（图1），具有以下优点：1. 导电剂与粘结剂的一体化制备工艺有利于获得高质量正极浆料和正极极片；2. 在Super P之外，引入多壁碳纳米管（CNT），气相生长的碳纤维（VGCF）以及超薄石墨纳米片等不同维度的导电剂，可以有效提升高载量硫正极极片的机械完整性、剥离强度和导电性；3. 引入部分锂化的聚丙烯酸（PAA-Li）,能够在显著降低天然胶类粘结剂（例如黄原胶，XG）粘度的同时，与天然胶形成稳定的三维网络结构，可进一步提升硫正极的载硫量和固定多硫化物中间体的能力。基于此类WCI，作者以Super/S复合物为活性物质成功制备了高载量硫正极，并实现了能量密度为323 Wh kg-1 的2.5 Ah级软包电池构建。此外，该策略对于近年来文献报道的载硫客体材料有良好普适性。
我院2018级硕士生乔昕为论文第一作者，化学化工学院王超志同学和我院崔景芹高级工程师在论文修改过程给予重要帮助，方晓亮教授为本文的通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、厦门市青创基金项目和中国福建能源材料科学与技术创新实验室的资助。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722002185
发布：2022年04月22日 09:53
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