Advanced Materials：受蜘蛛丝启发的粘结剂设计用于柔性锂离子电池

第一作者：王艳波

通讯作者：支春义*

单位：香港城市大学

锂离子电池因为高的能量密度和稳定的循环性能在柔性电池领域很有前途。然而传统的集流体（铜箔和铝箔）具有刚性的结构以及光滑平整的表面，使得他对于电极材料具有较差的粘附性能。在动态的机械形变过程中，这种弱的粘附会导致电极材料的剥离脱落，显著影响电池的性能。在厚的电极负载和高的能量密度下，这种现象会变得更加严重。目前来说主要有三种方法来解决柔性电池的问题，第一种是开发新的柔性集流体材料，比如石墨烯纸，碳纳米管等。第二种是设计新的电池结构，像DNA螺旋，鳄鱼皮状的结构。第三种是采用图案化设计来增强粘附作用。但是他们通常涉及到复杂的制备工艺和低的能量密度。尽管粘结剂在电极材料中占比很少，但是对粘结不同的电极材料以及获得稳定的电极形貌起到了关键的作用。对于柔性电池来说，理想的粘结剂不但需要有好的粘附性能更需要有优异的机械性能来适应不同的形变过程。而天然的蜘蛛丝因为独特的氢键阵列结构，具有卓越的机械性能，给了我们启发。

近日，来自 香港城市大学的支春义教授 ，在国际知名期刊 Advanced Materials 上发表题为“ Spider Silk-Inspired Binder Design for Flexible Lithium-Ion Battery with High Durability ”的研究文章。作者通过将具有独特氢键阵列的超分子SPU共价结合到传统的线性聚丙烯酸粘结剂上，构建了一种具有高弹性的3D聚合物网络兼顾卓越的粘附性能。该文章比较了新型粘结剂和传统粘结剂的机械和粘附性能，并进一步采用多种柔性电池测试方式来进行评估。

传统的粘结剂，比如PVDF，CMC，PAA等被广泛使用在锂离子电池中。因为本身较差的粘附性或者机械性能，他们很难独自应用于具有大体积变化过程的电极材料。通常通过设计新的集流体，新的电池结构，图案化电极等过程来提高柔性电池在形变过程中的形貌稳定性。在本篇工作中我们提出了新的柔性电池解决方案。即新型粘结剂的设计思路。粘结剂在粘合不同电极材料中起到了至关重要的作用，优异的粘结剂可以确保稳定的电极形貌。我们提出了柔性锂离子电池粘结剂的设计思路，即粘附力与机械性能的兼顾。

粘结剂的灵感设计来源于蜘蛛丝独特的一级和二级结构，涉及致密的可逆的氢键阵列。这种结构可以在机械形变后重新回复到原始的状态，不会发生不可逆的形变。同时通过与传统线性聚丙烯酸共价结合，3D互联的分子网络可以形成，这种网络结构可以显著增强粘附的能力，同时伴随着强的界面力的形成，最终达到粘附性和机械性能的兼顾。同时采用多种机械性能表征方式，应力应变曲线，耐久性测试，应力松弛等。采用多种方法来表征和集流体的粘附力以及电极材料内部的共聚力，证实了新型粘结剂的设计优于传统的粘结剂。

通过采用设计的粘结剂，制备了柔性电池，这种电池可以在获得高的能量密度的同时得到高的机械性能。柔性电池可以适用不同的形变过程，均保持高的库伦效率和几乎重叠的充放电曲线。此外还进行了多种不同的严苛的动态机械性能测试，在经历动态弯曲，扭转甚至卷绕后，以新型粘结剂为基础的柔性电池可以获得稳定的输出，高的库伦效率和优异的容量保持率。然而，对于以传统粘结剂为基础的柔性电池在经历不同动态机械形变后，观察到了明显的电压波动和不稳定的输出。电极形貌的表征进一步证实了新型粘结剂获得了稳定的电极结构，然而传统粘结剂出现了开裂的电极结构。

Spider Silk-Inspired Binder Design for Flexible Lithium-Ion Battery with High Durability