CEJ：新型强韧/高稳定性锂电水系粘合剂—纤维素乙酰丙酸酯- 大数跨境

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CEJ：新型强韧/高稳定性锂电水系粘合剂—纤维素乙酰丙酸酯

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2025-08-20

导读：CEJ：新型强韧/高稳定性锂电水系粘合剂—纤维素乙酰丙酸酯

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文章信息

新型强韧/高稳定性锂电水系粘合剂—纤维素乙酰丙酸酯

第一作者：黄鹏飞

通讯作者：谢海波*

单位：贵州大学

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研究背景

锂离子电池（LIB）深刻影响了现代文明的各个方面，包括移动电子设备、电动汽车和大规模储能系统。其性能在很大程度上取决于电极，典型的电极结构由活性材料、导电剂和粘合剂组成。其中电极粘合剂虽然在电极中仅占据~10%，却对电极的老化、容量衰减和成型质量起到至关重要的作用。传统的聚偏氟乙烯（PVDF）粘合剂依赖于有毒溶剂，锂离子电导率差，附着力弱，导致容量衰减和环境负担。这项工作通过开拓一种生态友好的生物基水性粘合剂--纤维素乙酰丙酸酯（CLE）来解决这些问题，该粘合剂来源于丰富的纤维素，通过化学改性形成具有独特酮-烯醇异构结构的水溶性纤维素酯类衍生物。该粘合剂在典型的 LFP 电极中表现出优异的分散性，以及令人印象深刻的稳定性和附着力。由于其乙酰丙酸酮部分（具有更长的碳链、独特的酯基、羟基和酮-烯醇互变异构），与传统的羧甲基纤维素（CMC）相比，CLE 表现出卓越的机械韧性。这项工作为实现高性能、持久、环保的锂离子电池提供了一条重要途径，这对满足全球能源存储需求至关重要。

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文章简介

近日，来自贵州大学的谢海波教授在Chemical Engineering Journal 期刊上发表题为“Robust cellulose levulinate ester as a novel non-ionic aqueous binder with high stability for lithium-ion batteries”的研究论文。开发了一种新型非离子水溶性纤维素乙酰丙酸酯电极粘合剂，其独特的酮烯互变异构结构使得改性后的粘结剂表现出优异的水溶性，从而有助于电极浆料的有效分散。通过计算表明CLE粘合剂能促进锂离子的快速扩散。此外，乙酰酮段内部的塑化使电极的力学性能得到改善，使循环后形成稳定的CEI层。由于纤维素和乙酰酮的协同作用，LFP@CLE1电极表现出优异的电化学性能，在长周期内保持导电网络的完整性，并表现出优异的循环稳定性。在1C下循环300次后，高容量保留率为93.6%，约为140 mAh g^-1。基于这些结果，预计该粘合剂可以作为锂电池电极材料中传统粘合剂的环保和经济替代品，从而促进锂电池粘合剂的进一步发展和应用。

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本文要点

图1 展现了生物基水性粘合剂-纤维素乙酰丙酸酯的合成过程以及酮-烯醇异构的特殊结构的表征，此外通过密度泛函理论（DFT）计算表明CLE对锂离子具有较强的结合能，通过链段运动促进锂离子的传输。

图1 (a)新型水性CLE粘结剂合成。（b) CLE的FTIR光谱。(c) CLE1的1H-NMR和(d) 13C-NMR （Ds = 1.2）。不同结合物与Li⁺之间的结合能，(e)酮CLE-Li⁺；(f)烯醇CLE - li +；(g)结合能

图2 通过对比表明CLE粘合剂具有更优异的理化性质，高的低剪切粘度（锋利边缘轮廓）、低的高剪切粘度（优异涂层分散性能）以及低的模量频率依赖性，表明电极浆料在电极制备过程中具有更优异的流变特性和稳定性。此外，CLE表现出优异粘附性、电解质浸润性和抗溶胀性能。

图2 CLE1、PVDF和CMC粘结剂及电极的理化性质。电极浆料流变特性，(a)粘度；(b)模量。(c) CLE1/CMC/ PVDF电极的剥离力位移曲线和(d)剥离强度。(e)接触角LFP@CLE1；(f) LFP@PVDF;(g) LFP@CMC。(h) CLE1/CMC/PVDF膜的溶胀率及溶胀前后的图像。(i) LFP@CLE1的SEM图像和对应的能谱扫描图。

图3 通过对比表明CLE粘合剂具有更优异的电化学性能，在300个循环中表现出优异的稳定性，容量保持93.6%。CV测试和活化能表明CLE基电极具有高的锂离子表观扩散系数和快速的反应动力学。此外，通过倍率性能、高负载长循环和大电流（6C）循环测试，表明CLE使电极具有更快的锂离子传输和高稳定性能。

图3 (a)电池组装示意图。(b) CLE1/CMC/ PVDF基电极循环性能。(c) LFP@CLE1在不同扫描速率下的CV曲线。(d)峰值电流与扫描速率平方根的线性拟合。(e) LFP@CLE1不同温度下的EIS曲线。(f)活化能线性拟合。(h) CLE1/CMC/ PVDF基电极倍率性能。(i)不同负载下LFP@CLE1循环性能。(j) CLE1/CMC/ PVDF基电极大电流的循环性能。(k)性能比较雷达图。

图4 和图5 通过EIS、SEM、TEM、XPS对比不同粘合剂循环前后的CEI界面的形貌、尺寸和成分进行分析，结果表明CLE粘合剂具有更优异的稳定性，通过模拟计算表明CLE对电极CEI层的形成和稳定具有促进作用。

图4循环前后的界面分析。(a) EIS曲线。SEM形貌图(b) LFP@CLE1。(c) LFP@PVDF。(d) LFP@CMC。循环后的TEM图像 (e) LFP@CLE1；(f) LFP@PVDF；(g) LFP@CMC。(h) LFP@CLE1的C1s、O1s、F1s和Li1s经过1/50/100次循环后的XPS（从上至下）。

图5 (a)不同粘合剂分子和EC、DMC、EMC的HOMO和LUMO能级。(b) LFP@CLE1循环前后界面示意图。(c) LFP@PVDF。(d) LFP@CMC。

图6 通过对不同电极LCO/NCM811/LMO使用CLE粘合剂，都表现出较为良好的循环稳定性，表明该生物基粘合剂具有良好的普适性。

图6 拓展性测试LCO/NCM811/LMO

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文章链接

Robust cellulose levulinate ester as a novel non-ionic aqueous binder with high stability for lithium-ion batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725077897

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通讯作者简介

谢海波教授简介：

谢海波，教授，博士生导师，贵州省“省管”II类专家，贵州省竹质生物质高效利用技术创新中心主任，贵州省生物基高分子新材料科技创新人才团队负责人,贵州省百层次创新型人才,中国化学会纤维素专业委员会、应用化学专业委员会、绿色化学委员会委员；2021年获“贵州省五一劳动奖章”；Journal of Renewable Materials, 高分子通报杂志编委。研究工作聚焦生物质资源（秸秆、竹资源）综合利用，在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ . Sci . Applied Catalysis B-environmental, Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Chem. Eng. J., Green Chem., 等杂志共发表SCI论文180余篇，累计他引6000余次。曾获中国化学会纤维素专业委员会首届创新贡献奖、“离子液体与绿色过程”青年创新奖、辽宁省自然科学二等奖；合作主编英文学术专著1部，参与撰写中英文专著8部；近5年申请中国专利50余项，获得授权专利28项。在重要国际、国内学术会议上做大会报告3次，邀请报告40余次；中国化学会第三届全国纤维素学术研讨会、第四届国际生态环境高分子材料研讨会、第三届非粮生物质高值化利用论坛共同主席。