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  粘結劑在電池系統中起著重要的作用。鋰硫（Li-S）電池在充放電過程中由于硫體積變化大以及多硫化物溶解等問題，循環性能較差。傳統的聚偏氟乙烯（PVDF）粘結劑的粘結性能通常是通過鏈間范德華力實現的，而鏈間范德華力較弱，導致重復循環過程中極片易在有機電解液中發生溶脹行為，電極結構不穩定。此外，PVDF需溶解在有毒、易揮發、易燃的有機N -甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶劑中，造成環境污染。為了提高Li-S電池的能量密度和循環穩定性，有必要設計擁有高導電性、與多硫化物存在化學吸附作用以及良好力學性能的新型水溶性多功能粘結劑。本研究成功設計制備了一種新型水溶性交聯功能粘結劑（GN-BA）用于Li-S電池，實現了電化學性能的大幅提升。此外，該粘結劑具有成本低、環境友好、制備方法簡單等優點。

  中國地質大學（武漢）孫睿敏特任教授與武漢理工大學麥立強教授課題組利用明膠GN與硼酸BA的交聯作用，制備了一種新型水溶性功能粘結劑GN-BA。將該粘結劑應用到Li-S電池中，能有效保持循環過程中電極結構的穩定性，緩沖體積變化，防止活性材料從集流體上脫落，并通過化學鍵合作用錨定多硫化物，有效抑制“穿梭效應”。應用這種粘結劑制備的硫電極也展現出松散的多孔結構，有利于電解液的滲透和離子快速傳輸。XPS、UV-vis和DFT計算進一步驗證該粘結劑可通過形成B-O-Li、C-O-Li和C-N-Li化學鍵來錨定多硫化物。將普通硫粉、導電炭黑與不同粘結劑簡單混合進行電化學性能測試，使用該粘結劑硫正極的電化學性能遠遠好于用傳統PVDF粘結劑的硫正極。當硫載量高達5.0 mg cm^-2時，面積比容量為5.7 mAh cm^-2，并且擁有良好的循環穩定性。本研究為先進粘結劑的設計構筑提供了經濟、環保、便捷有效的策略。該成果發表在Advanced Functional Materials上。中國地質大學（武漢）孫睿敏教授（特任）為本文第一作者和通訊作者，武漢理工大學麥立強教授為通訊作者。

圖1. a）傳統PVDF粘結劑循環過程示意圖，循環過程中會發生大體積變化，活性物質脫落，發生多硫化物溶解。b) GN-BA交聯粘結劑循環過程示意圖，在循環中，能有效保持電極穩定并通過配位效應錨定多硫化物。c) GN-BA和單一GN粘結劑的FTIR光譜圖。d) GN-BA交聯粘結劑簡化分子結構示意圖。

圖2. GN-BA與多硫化物結合作用的表征。a)不同粘結劑/CB復合材料吸附多硫化物溶液的照片和b) UV-vis光譜。c) GN-BA (90V10)粘結劑吸附多硫化物前后的XPS圖譜。d) GN-BA (90V10)/Li₂S₆的Li 1s峰，e) GN-BA (90V10)和GN-BA (90V10)/Li₂S₆的B 1s和f) N 1s峰。

圖3. a)不同粘結劑的溶脹率。b)不同粘結劑的水凝膠性能。采用不同粘結劑制備的硫正極SEM圖像：c) PVDF, d) GN, e) GN-BA(90V10)

圖4. Li-S電池電化學性能。(a) 0.5 C充放電曲線，(b) 0.5 C時循環性能和(c)倍率性能。(d) GN-BA (90V10)在0.05 mV s^-1掃描速率下的CV曲線。(e) 1C高倍率下的循環性能

圖5. 高負載量S@GN-BA電極的電化學性能。S@GN-BA(90V10)電極的充放電曲線: a) 2.1 mg S cm^-2,b) 5.0 mg S cm^-2。c) 0.2 C下不同硫載量S@GN-BA (90V10)電極的循環性能

圖6. a) GN-BA中不同官能團與Li₂S₆和Li₂S之間的結合能計算。(b) Li₂S₆和(c)Li₂S被GN-BA中B-OH，-CONH-, -COOH, -NH₂, B-OH/-NH₂基團吸附的優化結構

  通過GN與BA之間的交聯作用，形成B-N鍵，制備了一種新型的低成本高性能粘結劑GN-BA。該粘結劑具有良好的粘接分散能力、有效的多硫化物錨定能力和穩定的交聯結構。此外，采用GN-BA粘結劑制備的硫電極呈現疏松堆積的多孔結構，有利于液體電解液的滲透，可實現離子的快速傳輸，擁有優良的電化學性能。當硫載量為5.0 mg cm^-2時，具有較高的面積比容量(5.7 mA h cm^-2)和長循環穩定性。XPS測試和DFT計算有力地證明了GN-BA能通過形成化學鍵有效吸附多硫化物。此外，GN-BA粘結劑具有成本效益高、環境友好等特點，具有很大的實際應用潛力。這些發現為先進粘結劑的開發應用奠定了良好的科學基礎，為低成本儲能系統的大規模應用開辟了新的路徑。

  論文鏈接：Water-Soluble Cross-Linking Functional Binder for Low-Cost and High-performance Lithium-Sulfur Batteries”

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104858

  下載：Water-Soluble Cross-Linking Functional Binder for Low-Cost and High-performance Lithium-Sulfur Batteries