李福军教授等，AFM研究论文：二茂铁硼酸改性PVDF粘结剂用于高性能锂硫电池粘结剂

第一作者：马志远，漆正秋

通讯作者：马志远*，张静*，李福军*

单位：西南石油大学，南开大学

锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度、低成本和环境友好性被认为是极具前景的下一代储能系统之一。然而，其实际应用仍受到若干关键挑战的阻碍。在正极侧，多硫化锂（LiPSs）的溶解和穿梭，以及循环过程中显著的体积变化，导致活性物质损失和电极结构退化，最终导致较差的循环稳定性。为缓解这些问题，大量研究集中于开发硫宿主正极材料、功能性隔膜和特殊配方的电解质，旨在将LiPSs限制在正极区域内或催化其转化为不溶性物质（Li₂S₂、Li₂S和S）。然而，这些策略通常涉及权衡，例如能量密度降低或制造复杂性和成本增加。在此背景下，设计功能性正极粘结剂已成为一种同时改善Li-S电池力学完整性和提升电化学性能的实用且有前景的策略。聚偏氟乙烯（PVDF）因其优异的电化学和热稳定性，是商用锂离子电池中最常用的电极粘结剂。然而，它并不适用于Li-S电池中的硫正极。首先，其对硫活性物质的低结合强度以及高结晶度导致的差弹性，损害了硫正极（尤其是在高硫载量下）的结构完整性。其次，PVDF缺乏能够吸附LiPSs或催化其转化的官能团。第三，其电子和离子绝缘特性增加了电极极化。因此，开发新型功能性粘结剂对于推进Li-S电池技术至关重要且意义重大。

近日，西南石油大学马志远、张静与南开大学李福军教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Ferrocene boronic acid-modified polyvinylidene fluoride as a high-performance binder for lithium–sulfur batteries”的研究文章。该研究文章提出一种在PVDF粘结剂中引入二茂铁硼酸（FcBA）实现粘结剂-催化剂一体化，并应用于锂硫电池正极的思路。FcBA的引入通过氢键诱导的交联结构增强了PVDF的力学性能，并提升了其电解液溶胀性和锂离子导电性；FcBA中的碳五元环为LiPS吸附和催化转化提供了活性位点，抑制了穿梭效应，从而显著提升了锂硫电池的可逆容量、循环稳定性和倍率性能。

通过将PVDF与FcBA共同溶解于N甲基吡咯烷酮（NMP），FcBA分子的两个-OH基团与PVDF分子链上的F原子形成氢键，从而均匀锚定在PVDF分子链上，将NMP溶剂蒸干后即可得到FcBA改性的PVDF粘结剂。这种改性策略无需改变传统电极制备方法，适合大规模量产。

FcBA的引入通过氢键诱导的交联增强了PVDF的力学性能。FcBA中的碳五元环为LiPS吸附和催化转化提供了活性位点，从而抑制了穿梭效应。FcBA引入降低了PVDF的结晶度，提升了电解液溶胀性和锂离子电导率，从而加速了反应动力学，降低了电极极化。

使用PVDF/FcBA粘结剂的硫正极在0.1 C倍率下循环50次后可提供超过4.3 mAh cm^-2的高面容量。其软包电池的硫载量为3.8 mg cm^-2，在0.01 C倍率下表现出336 Wh kg^-1的能量密度，在0.5 C倍率下循环100次后容量保持率为85.3%。受限于实验条件，本次装配的两个软包电池分别为单层和三层叠片电池，量产条件下预计电池能量密度还有较大提升空间。

Ferrocene boronic acid-modified polyvinylidene fluoride as a high-performance binder for lithium–sulfur batteries

马志远老师简介：2013年本科毕业于中南大学材料科学与工程学院，2019年博士毕业于中南大学材料科学与工程学院，师从李志成教授，2016-2017年在日本东京大学Atsuo Yamada课题组联合培养。2019年加入西南石油大学新能源与材料学院，现为讲师、硕士生导师。主要研究方向为锂二次电池、电解水制氢等。以第一或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater., J. Energy Chem.等期刊发表论文十余篇，获授权国家发明专利4项。

张静老师简介：2013年本科毕业于中南大学材料科学与工程学院，2019年博士毕业于中南大学材料科学与工程学院，师从金展鹏院士、蔡格梅教授。2019年加入西南石油大学新能源与材料学院，现为讲师、硕士生导师。主要研究方向为电化学储能、光致发光材料等。以第一或通讯作者身份在Adv. Funct. Mater., Inorg. Chem.，Fuel等期刊发表论文十余篇，获授权国家发明专利8项。

李福军教授简介：南开大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。2011年博士毕业于香港大学化学系；2012-2015年先后在东京大学和日本国立产业技术综合研究所（筑波）任研究员；2015年9月起加入南开大学化学学院。主要从事高容量碱金属离子电池、可逆金属-空气电池研究。在 PNAS、JACS、Angew. Chem.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等国际期刊发表论文110余篇，他引超过11000次。

漆正秋简介：西南石油大学新能源与材料学院2024届硕士研究生。主要研究方向为锂硫电池关键材料，以共同第一作者身份在Adv. Funct. Mater.上发表论文2篇。