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中國科大陳立鋒教授課題組 Adv. Mater.: 設計高離子傳導性與高粘結強度三醋酸纖維素基通用粘結劑用于高壓鈉離子電池陰極
2025-04-07  來源：高分子科技
  鈉離子電池因其天然豐度高、低成本和鈉資源的廣泛可用性而成為鋰離子電池的有前景的替代品。然而，高性能鈉離子電池陰極的發(fā)展受到重大挑戰(zhàn)的阻礙，包括有限的離子電導率、陰極結構完整性差以及高電壓條件下的低循環(huán)穩(wěn)定性。在影響鈉離子電池陰極性能的各種因素中，粘結劑的選擇在保持電極完整性、提高離子電導率和促進重復充放電循環(huán)中的有效電荷傳輸方面起著關鍵作用。然而，傳統(tǒng)的水基和有機溶劑基粘合劑在鈉離子電池陰極中的應用受到結合強度差、離子電導率低、陰極濕度敏感性的阻礙。生物質基粘結劑因其可再生性、環(huán)境友好性和內在功能特性而成為儲能應用的有前景的途徑。然而，實現高壓鈉離子電池陰極所需的通用性、高離子電導率和優(yōu)異的粘結強度仍然是一個重大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種能夠滿足這些嚴格要求的生物質基粘結劑是一個關鍵的研究重點。用于高壓鈉離子電池陰極的生物質基粘結劑應滿足以下標準：（1）通用性和在高壓條件下對電極有效保護；（2）高離子電導率以改善反應動力學；（3）優(yōu)異的粘結強度以保持電極完整性。實現這些目標需要合理地選擇開發(fā)生物質基粘結劑的組分。



圖1 TAC-MMT的設計原則及工作機制


  在這項研究中，設計了一種由三醋酸纖維素和天然蒙脫土交聯組成的通用三醋酸纖維素基粘結劑（TAC-MMT），以促進鈉離子的快速傳輸途徑并建立強大的氫鍵網絡。這種創(chuàng)新的TAC-MMT粘結劑具有獨特的化學結構，通過自富集和快速傳輸機制實現了高離子電導率，而其優(yōu)異的結合強度歸因于三醋酸纖維素中的質子受體（C=O）和蒙脫土中的質子供體（-OH）之間的氫鍵交聯。更重要的是，TAC-MMT出色的溶解性和成膜性能有助于穩(wěn)定的電極保護和與高壓鈉離子電池陰極的廣泛兼容性。得益于這些優(yōu)勢，采用TAC-MMT粘結劑的Na3V2(PO4)2O2F電極表現出卓越的性能，包括在5C下500次循環(huán)的高容量保持率為95.2%，以及高達15C的快速速率響應。TAC-MMT粘結劑的多功能性在高壓NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2和Na0.61[Mn2.7Fe0.34Ti0.39]O2陰極上得到了進一步證實。本研究強調了生物質基粘結劑作為推進高性能鈉離子電池的可持續(xù)和有效解決方案的潛力。



圖2 TAC-MMT的電化學性能評估



圖3 TAC-MMT的動力學評估



圖4 TAC-MMT的電極完整性評估



圖5 電極界面性能評估



圖6 電極穩(wěn)定性評估


  相關研究成果以“Designing Cellulose Triacetate-Based Universal Binder for High-Voltage Sodium-Ion Battery Cathodes with Enhanced Ionic Conductivity and Binding Strength”為題發(fā)表在Advanced Materials(2025, 10.1002/adma.202501531)期刊上。文章的第一作者是中國科學技術大學碩士研究生張宇楨。中國科學技術大學陳立鋒教授為論文通訊作者。感謝國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學家（海外）資助項目（GG2090007003）、國家自然科學基金（U2230101）、中央高；究蒲袠I(yè)務費專項資金（WK2490000002）和中國科大啟動經費資助。


  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501531

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（責任編輯：xu）
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