福建理工大学陈汀杰/华南农业大学杨宇/大湾区大学常建 AEM：用于高能量密度和高安全性锂硫电池的低剂量阻燃无机聚合物粘结剂

第一作者：陈柱钻

通讯作者：陈汀杰*，杨宇*，常建*

单位：福建理工大学，华南农业大学，大湾区大学

发展中的电动汽车和便携式电子产品迫切需要高能量密度和高安全性的可充电锂电池。锂硫（Li-S）电池在高能量密度方面具有显著优势。聚合物粘结剂作为电极不可或缺的组成部分，在整合电极和确保集流体、导电剂和活性材料的界面之间的紧密接触以确保电池的可重复使用方面发挥着重要作用。然而，传统聚合物粘结剂的使用面临着巨大的挑战，如可溶性多硫化物体积变化大、电极易燃等，从而导致性能下降和安全隐患。近年来，各种具有极性官能团的水性粘结剂越来越受到关注，并在电化学性能方面取得了重大进展。然而，上述性能的提升是基于使用大量粘结剂（通常约10 wt.%）而实现的。由于粘结剂通常是不导电的，增加用量会导致更高的电池内阻，并减缓氧化还原反应。同时，粘结剂通常是非活性组分，不会产生容量。因此，有必要减少粘结剂的用量。然而，这样的尝试将导致电极的结构的恶化和循环期间的严重穿梭效应。

近日，来自福建理工大学的陈汀杰副教授、华南农业大学的杨宇副教授与大湾区大学常建副教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“A Low-Dosage Flame-Retardant Inorganic Polymer Binder for High-Energy-Density and High-Safety Lithium-Sulfur Batteries”的研究成果。本研究受无机聚合物聚磷酸铵阻燃粘结剂的启发，通过水热反应将Al(OH)₃和H₃PO₄进行交联设计了一种具有阻燃性能的无机多功能聚磷酸铝（AP）粘结剂。研究得出，AP粘结剂能确保硫电极以2 wt%的极低用量实现高阻燃性。因此，阻燃硫电极可以稳定运行，具有高比容量（1190 mAh g^-1）、500 次循环期间的高容量保持率（>99.1%）和出色的速率能力（3 C）。基于整个电池，软包Li-S全电池具有高容量（3.6 mAh cm^-2）、高电池能量密度（415 Wh kg^-1和 297 Wh L^-1）和高容量保持率（>99.8%）。

本文首次报道了使用聚磷酸铝（AP）作为无机聚合物粘结剂来稳定硫电极，同时实现了Li-S电池的高能量密度、长循环稳定性和可靠的安全性。AP粘结剂富含极性基团可提供强机械性能以缓解循环过程中的体积变化，促进Li离子的扩散，并吸附多硫化物以抑制穿梭效应。同时，AP粘结剂还含有大量磷酸或氢氧化铝，这两者都是良好的阻燃剂，可以为硫电极提供阻燃性，并显著提高电池的安全性。

DFT计算从理论上证明了在各种粘结剂中AP粘结剂与多硫化锂的结合能最强。当Li₂S₆的多硫化锂吸附在AP粘结剂的分子结构上时，结合能高达−3.78 eV，远远大于传统粘结剂PVDF(−0.99 eV)、PAA(−1.53 eV)和CMC(−1.64 eV)。成核实验表明，使用AP粘结剂的锂硫电池在3200秒内达到最大放电电流，比使用PVDF(5620秒)、PAA(4815秒)和CMC(8200秒)粘结剂的电池要快得多，证明了AP粘结剂在提高多硫化物转化反应氧化还原动力学、成核和沉积动力学中的作用。

通过 DFT 计算，与商用 PVDF 粘结剂相比，AP 粘结剂与硫正极中的活性材料、导电材料和集流材料具有更强的粘结力。AP 粘结剂与活性/导电/集流体材料之间的结合能分别为-1.49、-1.74 和-6.15 eV。相比之下，PVDF 与活性/导电/集流体材料之间的结合能分别为 -0.87、-0.88 和 -0.15eV，仅为 AP 粘结剂的 58%、51% 和 2%。因此，在硫电极中添加少量 AP 就足以将 S/C 混合物结合并固定在铝集流体上。电极燃烧测试也表明了其具有优异的阻燃性能。

“A Low-Dosage Flame-Retardant Inorganic Polymer Binder for High-Energy-Density and High-Safety Lithium-Sulfur Batteries”

陈汀杰副教授简介：陈汀杰，福建理工大学副教授，硕士生导师，福建省高层次C类人才。2016年获得福建农林大学工学博士学位，2015年-2016年于瑞典吕勒奥理工大学做联培博士，2017年-2019年于厦门大学化学与化工学院从事博士后研究员。2019年7月作为高层次人才被引进到福建理工大学材料科学与工程学院，长期从事无机/有机材料与植物纤维复合的功能植物纤维复合材料的研究，探索其在柔性可穿戴储能材料与器件、水处理，及室内建筑材料的应用。迄今为止，在Advanced Energy Materials、Small、Journal of Hazardous Materials、Chemical Engineering Journal、Composites Part B: Engineering等国际权威SCI期刊上共发表30余篇学术论文，主持国家自然科学基金青年项目、福建省自然科学基金青创项目等项目。

杨宇副教授简介：杨宇，华南农业大学首聘副教授、硕士生导师。2010年和2015年于华南理工大学分别获得高分子材料与工程学士和材料学博士学位，随后在香港理工大学从事博士后研究。2018至2019年在南方科技大学从事研究助理教授工作，入选深圳市海外高层次人才计划。2019年12月作为高层次人才被引进到华南农业大学材料与能源学院。长期从事功能高分子材料、能源高分子材料、柔性可穿戴储能材料与器件的构建及结构性能关系的基础研究工作，开展了一系列创新性研究工作。迄今为止，主持国家自然科学基金青基项目等项目6项，在国际著名刊物Advanced Materials 、Advanced Energy Materials、 Energy Storage Materials, Small, Macromolecules等发表SCI收录论文55篇(34篇中科院一区，16篇IF＞10，篇均IF为9.2)，其中包括ESI高被引论文1篇, 封面文章3篇。论文总被引频次2340次，H因子27，单篇最高被引用253次。

常建副教授简介：常建，大湾区大学物质科学学院副教授，博士生导师。吉林大学工学学士，韩国成均馆大学理学博士，香港理工大学博士后研究员。长期从事高柔性锂电池、宽温度锂电池和固态锂电池的关键材料开发和储能器件设计，探索不同类型锂电池电极和电解质材料的电化学储能机制和机械变形机制，在Joule、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials等国际权威SCI期刊上共发表50余篇学术论文，申请授权国家/美国发明专利15项。曾荣获瑞士日内瓦国际重大发明金奖、国际重大发明特别优异奖、深圳市海外高层次B类人才奖、韩国成均馆大学优异研究奖等奖项。担任南方科技大学创新创业学院兼职教授、广东省材料研究学会青年委员、深圳市工信局新材料产业集群评审委员、EcoMat期刊青年编委等。主持国家自然科学基金面上和青年项目、广东省自然科学基金重点和面上项目、深圳市基础研究重点项目等科研项目。

博士后薪酬待遇：A类博士后综合年薪不低于45万元（含地方政府资助，下同），B类博士后综合年薪不低于40万元。入选广东省海外博士后人才支持项目，综合年薪不低于 60 万元（包含广东省 30 万元和东莞市 30万元）。除综合年薪外，学校高标准缴纳社会保险和住房公积金，发放租房补贴。提供充足的科研条件和国内外学术交流机会，市财政给予学术交流补助。出站后留莞工作的，市财政给予50万元生活补助。入选广东省海外博士后人才支持项目，出站后留粤工作的，省财政给予40万元住房补贴。支持博士后申报东莞市特色人才，享受购房补贴、租房补贴、生活补助、科技成果转化贡献奖励、医疗保障、创业扶持、境外人才个人所得税优惠、优才卡服务等。工作地点松山湖科学城，可依托学校申请科学城内人才公寓，并协助解决子女入园入学。对于优秀的出站博士后将积极推荐校内相关科研岗位。

特任研究员薪酬待遇：A类综合年薪不低于35万元，B类综合年薪不低于30万元。根据科研工作业绩表现，课题组提供相应的科研绩效奖励。除综合年薪外，学校高标准缴纳社会保险和住房公积金，发放租房补贴。提供工作开展所需科研条件及国内外学术交流机会，东莞市给予学术交流补助。支持申报东莞市特色人才，享受购房补贴、租房补贴、生活补助、科技成果转化贡献奖励、医疗保障、创业扶持、境外人才个人所得税优惠、优才卡服务等。工作地点松山湖科学城，享受带薪年假、健康体检和校内餐厅等福利待遇，学校按属地政策协助解决子女入园入学。聘期内表现优秀将积极推荐申请校内相关岗位。

应聘方式：有意者请提供以下申请材料：1.个人完整简历：包含自本科起详细的教育和工作经历、学术论文列表、承担（参与）科研项目等，附学历学位证书及其验证报告扫描件；2.代表性研究成果证明资料：论文、专利、科研项目、奖励情况等；以上材料发送至：changj@gbu.edu.cn；本招聘长期有效，招满即止。