日本研究人员开发出新型电极粘合剂材料 可用于高性能钠离子电池

盖世汽车讯 锂离子电池一直处于储能技术的前沿。然而，锂的供应有限。因此，对储能系统日益增长的需求促使人们寻找低成本、更易获得的可充电电池材料。钠离子电池（SIB）就极具前景，因为海水和盐沉积物中钠（Na）资源几乎是无限的。

图片来源：JAIST

人们进行了大量研究来改进正极（阴极）、负极（阳极）和电解质的材料，以提高SIB的长循环稳定性并实现薄固体电解质界面（SEI）。SEI是在初始充电/放电循环期间在阳极表面形成的钝化层，可防止阳极因与电解质反应而退化。

形成良好的SEI对电池性能至关重要。在此背景下，硬碳（HC）成为一种有前途的阳极材料。然而，由于电解质消耗增加，它会形成不均匀、厚且弱的SEI，从而降低充电/放电稳定性和反应速度，因此其商业化一直很困难。

为了解决这些问题，目前已经使用了羧甲基纤维素盐、聚丙烯酸衍生物和聚偏氟乙烯（PVDF）等粘合剂。然而，这些粘合剂会导致Na离子在阳极中扩散缓慢，从而导致基于HC的SIB的倍率能力较差。

据外媒报道，为了克服这些缺点，日本先进科学技术研究所（JAIST）的Noriyoshi Matsumi教授和博士生Amarshi Patra使用聚（富马酸）（PFA）粘合剂开发出HC阳极。

图片来源：JAIST

Matsumi教授在解释PFA的优势时说：“与传统的聚（丙烯酸）粘合剂不同，PFA是一种高功能密度聚合物，主链的所有碳原子上都存在羧酸。这使得PFA能够由于存在高浓度的离子跳跃位点而改善Na离子扩散，并更牢固地粘附在电极上。此外，PFA粘合剂具有水溶性和无毒性，其前体富马酸是一种生物基聚合物。”

研究人员通过水解聚富马酸酯合成了PFA。接下来，他们将HC、Super P碳和PFA混合在水中形成水性浆料，将其涂在铜箔上并干燥过夜以产生HC阳极。该阳极与作为对电极的钠金属盘和作为电解质的1.0 M NaClO4一起用于构建阳极型半电池。

研究人员进行了剥离试验，以测试粘合剂对电极组件和铜集电器之间粘附的影响。值得注意的是，强粘附性是SIB长寿命的必要条件。发现含有PFA粘合剂的HC电极的剥离力为12.5 N，明显高于剥离力为11.5 N的聚丙烯酸-HC电极和剥离力为9.8 N的PVDF-HC电极。

研究人员对阳极半电池进行了各种电化学和电池性能测试。在充放电循环测试中，阳极半电池在电流密度分别为30 mAg-1和60 mAg-1时分别显示出288 mAhg-1和254 mAhg-1的比容量，明显优于PVDF和聚丙烯酸型电极。它还表现出优异的长循环稳定性，在250次循环后仍保留85.4%的容量。

阳极形成了一层薄薄的SEI，没有出现裂纹或剥落，这有助于提高半电池的耐久性。此外，PFA-HC电极的Na离子扩散系数为1.9 × 10-13 cm2/s，高于聚丙烯酸-HC和PVDF-HC电极。

这些发现有助于开发电化学性能更佳的SIB。展望未来，Matsumi教授表示：“在这种聚合物材料中，通过不同的聚合物反应可以进行各种结构改性，从而进一步提高性能。未来，我们的目标是与公司联合研究，实现其商业化应用。此外，作为一种可提高耐久性的水溶性无毒粘合剂材料，它不仅可以应用于SIB，还可以应用于各种储能设备。”

总体而言，这种新材料可以更广泛地使用基于SIB的低成本能源设备，从而实现更节能、碳中和的社会。