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  鋰硫電池（LSBs）具有極高的理論比容量(1675 mAhg-1)，且硫含量豐富，價格低廉，被廣泛地認為是未來大規(guī)模儲能領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的方向。通常，Li-S電池中的正極主要包括四個組成部分，其中聚合物粘結(jié)劑在硫正極中起著不可或缺的作用，包括：1）確保活性硫顆粒與導(dǎo)電碳主體之間的緊密接觸; 2）提供強大的粘合力以將S/C活性材料結(jié)合到集流體上; 3）緩解充放電期間硫的體積變化并保持電極結(jié)構(gòu)的完整性。尤其是在具有高面積硫負載量的情況下，聚合物粘結(jié)劑的作用對于維持正極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是至關(guān)重要的；4）對于LSB中的穿梭效應(yīng)，還可以引入能夠與多硫化物相互作用的功能性結(jié)合物,捕獲可溶性多硫化物。

  華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊卓鴻教授、楊宇副教授聯(lián)合華南理工大學(xué)王朝陽教授合作以天然材料瓜爾膠（GG）、植酸（PA）和大豆分離蛋白（SPI）為基礎(chǔ)，成功設(shè)計并制備了一種具有三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的LSBs正極用全生物質(zhì)基粘結(jié)劑PPG。通過紫外可見分光光度法測得該粘結(jié)劑對LiPS具有穩(wěn)定的吸附捕捉能力，并進一步通過密度泛函理論（DFT）計算得以證實。

圖1 （a）基于PPG粘結(jié)劑硫正極錨定鋰多硫化物的示意圖。（b）聚合物粘合劑的FTIR光譜。

  此外，該粘結(jié)劑還展現(xiàn)了優(yōu)異的機械性能和粘結(jié)性能，有利于LSBs在循環(huán)測試中保持硫正極的完整性。該粘結(jié)劑組裝的LSBs在長循環(huán)測試中表現(xiàn)出顯著的性能提升，在1C放電倍率下，經(jīng)過700次循環(huán)，LSBs容量保持率仍能達到79.7%。另外，在高硫質(zhì)量負載（4.9 mg cm^-2）的情況下，LSBs經(jīng)過50個循環(huán)仍能保持933.6 mAh g^-1（0.1 C放電倍率）的容量。

圖2 （a）5 wt%聚合物溶液在室溫下的粘度。（b）GG，P-SPI，PPG和PVDF對電解質(zhì)的吸收能力。（c）PPG吸附LiPS溶液的UV-vis圖。（d）PA分子結(jié)合Li₂S₆的鍵長（?）及結(jié)合能；灰色、紅色、白色、黃色、橙色和紫色的小球分別代表C、O、H、S、P和Li原子。（e）不同粘結(jié)劑對LiPS溶液（Li₂S₆，0.3 mmol L^-1）經(jīng)6小時吸附的實物圖。

圖3 （a）180°剝離測試示意圖。（b）基于不同粘結(jié)劑的剝離測試?yán)烨�。（c）基于不同粘結(jié)劑硫正極的典型壓力-壓痕深度曲線。（d）基于不同粘結(jié)劑硫正極的彈性模量和硬度。

圖4 （a）基于不同粘結(jié)劑鋰硫電池在1C倍率下的充放電循環(huán)性能。（b）基于PPG粘結(jié)劑硫正極的恒流充放電曲線。（c）基于不同粘結(jié)劑硫正極的倍率性能。（d）基于不同粘結(jié)劑鋰硫電池在不同質(zhì)量硫負載下經(jīng)10圈充放電循環(huán)后的面積比容量。（e）在0.1C倍率下，基于PPG粘結(jié)劑鋰硫電池在不同質(zhì)量硫負載的充放電循環(huán)性能。（f）在硫負載為2.4 mg cm^-2，基于PPG粘結(jié)劑鋰硫電池在0.5C倍率下的循環(huán)性能。

圖5 基于（a）PPG，（b）P-SPI，（c）GG粘結(jié)劑硫正極在掃描速度為0.05 ~ 0.8 mV S^-1下的CV曲線。（d）正極和（e）負極電流vs.V^0.5的擬合曲線。基于不同粘結(jié)劑鋰硫電池在300圈（f）循環(huán)前和（g）循環(huán)后的Nyquist圖。

圖6 基于（a-c）PPG，（d-f）P-SPI和（g-i）GG粘結(jié)劑硫正極循環(huán)300圈后的SEM圖。

圖7 （a）用于原位UV-vis測試的模擬電池示意圖。（b）在第一個放電周期中，PPG粘結(jié)劑模擬電池在不同電壓下的原位原位UV-vis圖。插圖顯示了不同放電電壓下的模擬電池的實物圖。

  綜上所述，作者利用瓜爾膠、大豆蛋白和植酸等生物基原料，通過簡單的物理交聯(lián)手段，成功合成了一種功能性硫正極粘結(jié)劑。由于經(jīng)濟環(huán)保的生物高分子含有許多極性基團，具有良好的吸附能力，可以充分抑制鋰多硫化物在電解液中的“穿梭效應(yīng)”。此外，該粘結(jié)劑展示了優(yōu)異的粘結(jié)能力和力學(xué)性能，以此組裝的硫正極可以大大提高鋰硫電池的電化學(xué)性能，即使在高硫負載的情況下，其容量保持率仍處于較高水平。因此，該粘結(jié)劑是一種穩(wěn)定、經(jīng)濟、環(huán)保的三維結(jié)構(gòu)全生物基聚合物，此研究不僅為多功能粘結(jié)劑的設(shè)計開辟了新的方向，推動鋰硫電池的商業(yè)化進程。

  相關(guān)研究工作以“Low-Cost and Environmentally Friendly Biopolymer Binders for Li-S Batteries”為題于2020年9月24日在線發(fā)表在聚合物領(lǐng)域知名期刊Macromolecules上（DOI：10.1021/acs.macromol.0c01576）。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.0c01576

  華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊卓鴻、楊宇團隊長期從事植物油基衍生物的綠色合成技術(shù)與應(yīng)用研究、植物油基UV固化材料的設(shè)計與應(yīng)用研究、生物質(zhì)基特種功能材料的設(shè)計及應(yīng)用研究、生物質(zhì)資源改性在能源利用等研究工作，近年來，課題組已在adv. Mater.、Macromolecules、Chem. Eng. J.、Energy Storage Mater.、ACS Sustain Chem Eng.、J. Power Sources等國際期刊發(fā)表50多篇相關(guān)的研究論文。

  華南理工大學(xué)王朝陽教授團隊長期從事聚合物能源材料，包括鋰離子電池粘結(jié)劑、聚合物固態(tài)電解質(zhì)、鋰硫電池材料等研究工作，目前Angew Chem. Int. Ed.、Macromolecules、ACS Macro Lett.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、J. Power Sources等國際期刊雜志上發(fā)表論文170余篇。