延长锂离子电池寿命的新型共聚物粘结剂

  拥有智能手机已超过一年的人最有可能意识到其内置的锂(Li)离子电池所容纳的电量不及该设备新时的电量。锂离子电池的退化是一个严重的问题,极大地限制了便携式电子设备的使用寿命,从而间接导致大量污染和经济损失。除此之外,锂离子电池不是很耐用的事实为电动汽车和可再生能源市场提供了巨大的障碍。考虑到这些问题的严重性,研究人员一直在积极寻求改进锂离子电池最新设计的方法也就不足为奇了。

延长锂离子电池寿命的新型共聚物粘结剂

  锂离子电池容量随时间下降的主要原因之一是广泛使用的石墨阳极(电池负极)的退化。阳极与阴极(或正极端子)和电解质(或在两个端子之间携带电荷的介质)一起提供了一个环境,在该环境中可以发生用于电池充电和放电的电化学反应。但是,石墨需要粘合剂以防止其随着使用而散落。当今使用最广泛的粘合剂,聚偏二氟乙烯(PVDF)具有一系列缺点,使其与理想材料相去甚远。

  为了解决这些问题,日本高级科学技术研究院(JAIST)的一组研究人员正在研究一种由双亚氨基ino烯对苯二酚对苯撑(BP)共聚物制成的新型粘合剂。他们的最新研究发表在ACS Applied Energy Materials上,由松井纪良教授领导,还包括Rajashekar Badam资深讲师Tatsuo Kaneko教授。学生Agman Gupta和前博士后研究员Aniruddha Nag。

  那么,BP共聚物在哪些方面优于传统的用于石墨阳极的PVDF粘合剂呢?首先,BP粘合剂具有明显更好的机械稳定性和对阳极的附着力。这部分是由于双亚氨基ino烯醌基团与石墨之间的所谓π-π相互作用,也归因于共聚物的配体与电池铜集电器的良好粘合。其次,BP共聚物不仅比PVDF导电得多,而且还形成了更薄的导电固体电解质界面,且电阻较小。第三,BP共聚物不容易与电解质反应,这也极大地防止了其降解。

  研究人员通过实验测量证明,所有这些优点相结合,导致了一些重大的性能改进。“虽然使用PVDF作为粘合剂的半电池在约500次充放电循环后仅显示其原始容量的65%,但使用BP共聚物作为粘合剂的半电池在经过1700次这样的循环后显示出95%的容量保持率”,松见教授强调。基于BP共聚物的半电池还显示出非常高且稳定的库仑效率,该方法可比较给定周期内流入和流出电池的电荷量。这也表明电池的长期耐用性。用扫描电子显微镜拍摄的粘合剂图像循环前后,发现在BP共聚物上仅形成了细小的裂纹,而在少于总循环数的三分之一的情况下,PVDF上已经形成了大的裂纹。

  这项研究的理论和实验结果将为开发持久的锂离子电池铺平道路。反过来,这可能会产生深远的经济和环境后果,正如Matsumi教授解释的那样:“耐用电池的实现将有助于开发可长期使用的更可靠的产品。这将鼓励消费者购买更昂贵的电池。基础资产,例如电动汽车,将被使用很多年。” 他还指出,对于那些依赖人造器官的人,例如患有某些心脏病的人,耐用电池将是个好消息。当然,一般人群 考虑每天使用和充电的智能手机,平板电脑和笔记本电脑的数量,这也将受益。

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