【摘要】

粘合剂在电池系统中发挥着重要作用。由于硫的体积变化大和穿梭效应，锂硫（Li-S）电池的循环性能较差。最近，中国地质大学孙睿敏教授与武汉理工大学麦立强教授合作团队通过明胶和硼酸之间的交联作用制备了一种新型水溶性功能粘合剂（命名为GN-BA）。优良的粘合剂可以有效地保持集成电极稳定，缓冲体积变化，防止活性材料从集流体上脱落，并通过化学键固定多硫化物。

这种粘合剂中的硫电极还表现出松散堆叠的多孔结构，这有利于电解质渗透和快速离子扩散。X射线光电子能谱、紫外-可见光谱和密度泛函理论计算进一步验证了粘合剂可以通过形成B-O-Li、C-O-Li和C-N-Li化学键来锚定多硫化物。在0.5C下，可以获得980mAhg-1的高初始容量，高于使用传统聚偏二氟乙烯粘合剂的硫正极。当硫负载量高达5.0mgcm-2时，实现了5.7mAhcm-2的高面积比容量和优异的循环稳定性。该研究为构建先进的粘合剂提出了一种经济且环保的策略，并促进了高能锂硫电池的实际应用。相关论文以题为Water-SolubleCross-LinkingFunctionalBinderforLow-CostandHigh-PerformanceLithium–SulfurBatteries发表在《AdvancedFunctionalMaterials》上。

【主图导读】

图1a）传统PVDF粘合剂在循环过程中会发生大的体积变化、活性材料剥离和多硫化物溶解的示意图。b)GN-BA交联粘合剂的示意图，该粘合剂可在电化学过程中通过配位效应有效保持电极稳定并锚定多硫化物。c)GN-BA和GN粘合剂的FTIR光谱。d)GN-BA交联粘合剂的简化分子结构。

图2表征GN-BA和多硫化物之间的结合效应。a)照片和b)不同粘合剂/CB复合材料吸附的多硫化物溶液的紫外-可见光谱。c)GN-BA(90V10)粘合剂吸附多硫化物前后的XPS光谱调查。d)GN-BA(90V10)/Li2S6的Li1s峰，e)B1s峰和f)GN-BA(90V10)和GN-BA(90V10)/Li2S6的N1s峰的高分辨率XPS光谱。

图3a)不同粘合剂的溶胀率。b)不同粘合剂的水凝胶特性。具有c)PVDF、d)GN和e)GN-BA(90V10)粘合剂的硫正极的SEM图像。

图4不同粘合剂的锂硫电池的电化学性能。a)0.5C时的典型充放电曲线。b)0.5C时的循环性能。c)倍率性能。d)GN-BA(90V10)在0.05mVs-1扫描速率下的CV曲线。e)1C高倍率下的循环性能。

图5不同硫负载量的S@GN-BA电极的电化学性能。S@GN-BA(90V10)电极的充放电曲线，a)2.1mgScm-2和b)5.0mgScm-2。c)S@GN-BA(90V10)电极在0.2C下不同硫负载量的循环性能。

图6a)Li2S6和Li2S与GN-BA中各种官能团的计算结合能。b)Li2S6和c)Li2S的优化结构分别被BA中的B-OH和-CONH-、-COOH、-NH2、B-OH/-NH2在GN-BA中吸收。

【总结】

通过GN与BA之间的交联作用，形成B-N键，制备了一种新型低成本高性能粘合剂（GN-BA）。这种粘合剂结合了优异的附着力和分散能力、有效锚定多硫化物的能力以及稳定的交联结构。此外，GN-BA粘合剂中的硫电极呈现松散堆叠的多孔结构，有利于液体电解质的渗透，可以实现快速的离子扩散。由于这些优点，具有GN-BA粘合剂的硫电极实现了优异的电化学性能。当硫负载量高达5.0mgcm-2时，获得了5.7mAhcm-2的高面积比容量和增强的循环性能。系统研究了GN-BA粘合剂在Li-S电池中的作用。XPS测量和DFT计算有力地证明了GN-BA可以通过形成化学键有效地吸附多硫化物。此外，GN-BA粘合剂具有成本效益和环境友好的特点，显示出巨大的实际应用潜力。这些发现为使用这些先进粘合剂开发Li-S电池奠定了良好的基础，并为低成本电池系统在大规模储能中的应用开辟了新途径。

参考文献：

/10.1002/