何向明课题组王莉Advanced Functional Materials观点：功能化粘结剂助力高容量型负极材料

第一作者：董少文（中国矿业大学联合培养博士研究生）

通讯作者：王莉*，梁杰*，何向明*

单位：中国矿业大学（北京），清华大学

储能电池的快速发展推动了人们持续研发高容量型负极材料，以满足不断增长的能量密度需求。锂离子和钠离子电池的高容量型负极材料通常具有充放电前后体积变化大的特点，对电极结构的循环稳定性以及电池寿命提出了严苛的挑战。高性能粘结剂是解决这一问题的主要路径。尽管在整个电池中的占比很小，但是粘结剂在提高电池电化学性能、安全性、低成本等方面的具有重要作用。由于传统的粘结剂难以适应高容量型负极材料的发展，功能化粘结剂逐渐被开发，这也推动了功能化粘结剂的发展。本文首先总结了粘结剂在电极中的作用及要求，综述了先进的表征技术以及人们据此认识到的粘结剂“结构-功能”机理，然后以硅（Si）、磷（P）、锡（Sn）、锑（Sb）、锗（Ge）等高容量型负极材料为例，介绍了其适用粘结剂的研究进展，最后对粘结剂在未来高容量型电极材料的发展和应用进行了展望。希望这篇综述能够帮助研究者们研发高性能的粘结剂以及高性能、高容量型负极，以推动高能量密度锂离子电池和钠离子电池的发展。

近日，来自中国矿业大学联合培养博士研究生董少文，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Functionalized Binders Boost High-Capacity Anode Materials”的观点文章。该观点文章分析了粘合剂在高容量负极材料的性能中发挥着不可或缺的作用。同时汇总了近期在硅、磷、锡、锑和锗基高容量负极材料的改性粘合剂在锂离子或钠离子电池方面的研究进展。

粘结剂在电极中扮演关键角色，它连接活性物质、导电剂和集流体，形成良好的导电网络，确保电化学反应高效进行，并提高电极的循环稳定性。粘结剂能够缓解活性物质体积膨胀，稳定极片结构，提升电极循环寿命。在生产过程中，粘结剂还便于形成均匀分散的浆料，便于涂布。粘结剂的用量虽少，但对电池性能影响显著，能提升电池性能5-10%。粘结剂需要满足多项要求，包括良好的分散性、与集流体的相互作用、形成稳定的SEI膜、良好的机械性能、导电网络的形成、低添加量以提高能量密度和电导率、自愈能力、耐受电解液的腐蚀、稳定性和安全性。满足这些要求的粘结剂并不多，需要根据具体使用条件和相互作用来选择，以优化电池性能。

在储能应用需求不断增长的情况下，发展高容量型电极材料势不可挡。而体积膨胀和机械性能差是他们的共同问题。传统粘结剂似乎难以满足高容量型电极材料的需求，为了应对这些问题的发生，开发新型粘结剂是一种有效的实施策略，也是未来储能电池将要面临的课题之一。虽然粘合剂仅占电极组成的一小部分，但对电池的循环稳定性和倍率性能起着重要作用。本文总结了粘结剂在电极中的作用和在高容量型电极应用过程中所需要的要求，讨论了粘结剂在电极中的粘附机理，并希望通过先进的表征技术来揭示粘结剂的作用机理。

介绍了硅、磷等高容量型电极材料中的粘结剂的最新研究进展，通过接枝和/或交联极性官能团构建三维网络结构的粘结剂，以适应硅负极在循环过程中的大的体积膨胀，增强硅负极的循环寿命。首次总结了磷（P）、锡（Sn）、锑（Sb）、锗（Ge）等负极材料粘结剂的研究进展，通过学习硅基高容量型电极材料粘结剂的研究来不断丰富其他类型高容量电极材料粘结剂的发展。尽管已经取得了不错的成绩，但是依然存在一些有待解决的问题，如活性材料分散性，循环稳定性和安全性等。只有问题不断地被克服，才能使高容量型的电极材料获得有效利用。

高容量电解材料的普遍特点是循环过程中体积变化较大，不可避免的产生机械应力，导致粘结剂的断裂，活性颗粒破碎，各组分之间接触不良，从而使离子/电子通路关闭，电池的电化学性能大幅度下降。此时，通过构建机械性能好、柔韧性强、耐化学反应的新型粘结剂，优化粘结剂的分子结构，使其能够很好地与电极中的其他各组分相互作用，从而达到提升电极能量密度、循环稳定性、安全性等目的。例如，（1）通过化学修饰在粘结剂和活性材料表面引入极性官能团，进一步形成牢固的共价键，增强与集流体的相互作用，防止电极组分脱落。

（2）设计软段/硬段相结合的多功能粘结剂，不仅能够提高电极的柔韧性，而且能够保持电极机械性能，以缓解应力变化。（3）创建具有动态氢键和静电相互作用的自愈型粘结剂，保证电极的自修复能力，使电极具有更稳定的循环能力。（4）探索新的合成方法，在粘结剂中引入具有特定离子传输通道和π-共轭结构的材料，增强电极的离子/电子传输，弥补因粘结剂的低电导率而降低的能量密度。相信新型粘结剂的构建能够增强电极的电化学性能，为高容量型电极材料带来新的活力。

目前大多数粘结剂的研究是在常温下进行，仅有少数研究涉及到了温度的影响。实际上，随着电化学储能的广泛应用，储能器件不可避免的会在高温或低温下使用。然而，温度（高温或低温）如何影响粘结剂的粘度、形态变化、机械稳定性、柔韧性、离子/电子连续性等特性方面仍不明晰，进而无法确定电极的电化学行为失效的原因。所以，在未来的研究中可以开发能够适合宽温域的粘结剂，以满足不同温度条件下储能的需要，使电极即使在恶劣的电池内外环境下也能够提供电化学、化学和热稳定性。

Functionalized Binders Boost High-Capacity Anode Materials

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