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点击量：381 次 | 2021-07-21
科学家研发BP共聚物 让锂电池寿命更持久
摘要
如果你的手机使用超过 1 年时间，那么你可能会发现“电池越来越不经用了”。这主要是因为锂离子电池的退化导致的，这大大限制了便携式电子设备的使用寿命，间接造成了巨大的污染和经济损失。考虑到这些问题的严重性，研究人员一直在积极寻求改善锂电池的先进方法。
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的退化，也就是电池的负极。阳极与阴极和电解质（或在两个终端之间携带电荷的介质）一起，为电池的充电和放电提供了一个可以发生电化学反应的环境。然而，石墨需要一种粘合剂，以防止它随着使用而散开。今天最广泛采用的粘合剂，聚偏二氟乙烯（PVDF），有一系列的缺点，使其远远不是一种理想的材料。
为了解决这些问题，日本高级科学技术研究所（JAIST）的一个研究小组正在研究一种由双-亚氨基-苊醌-对苯二酚（BP）共聚物制成的新型粘合剂。
他们的最新研究发表在 ACS 应用能源材料上，由 Noriyoshi Matsumi 教授领导，Tatsuo Kaneko教授、高级讲师Rajashekar Badam、博士生 Agman Gupta 和前博士后研究员 Aniruddha Nag 也参与其中。
那么相比较传统的 PVDF 粘合剂，BP共聚物都在哪些方面存在优势呢？首先，BP粘合剂提供了明显更好的机械稳定性和对阳极的附着力。这部分来自于双亚氨基苊基和石墨之间的所谓π-π相互作用，也来自于共聚物的配体对电池的铜集电体的良好附着力。
其次，BP共聚物不仅比PVDF的导电性能好得多，而且还能形成一个更薄的导电固体电解质界面，电阻更小。第三，BP共聚物不容易与电解质发生反应，这也大大防止了它的降解。所有这些优点结合起来导致了一些严重的性能改进，研究人员通过实验测量证明了这一点。
Matsumi 教授表示：“使用PVDF作为粘结剂的半电池在大约500次充放电循环后只显示出65%的原始容量，而使用BP共聚物作为粘结剂的半电池在超过1700次这样的循环后显示出95%的容量保持。基于BP共聚物的半电池还显示出非常高和稳定的库仑效率，这是一种比较在特定循环中流入和流出电池的电量的措施；这也表明了电池的长期耐久性。循环前后用扫描电子显微镜拍摄的粘合剂图像显示，只有微小的裂纹在BP共聚物上形成，而 PVDF 在不到总循环次数的三分之一时已经在形成大的裂纹”。
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影响，正如Matsumi教授解释的那样。他表示：“实现耐用电池将有助于开发更可靠的长期使用的产品。这将鼓励消费者购买更昂贵的基于电池的资产，如电动汽车，这将会使用很多年”。
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的退化，也就是电池的负极。阳极与阴极和电解质（或在两个终端之间携带电荷的介质）一起，为电池的充电和放电提供了一个可以发生电化学反应的环境。然而，石墨需要一种粘合剂，以防止它随着使用而散开。今天最广泛采用的粘合剂，聚偏二氟乙烯（PVDF），有一系列的缺点，使其远远不是一种理想的材料。
为了解决这些问题，日本高级科学技术研究所（JAIST）的一个研究小组正在研究一种由双-亚氨基-苊醌-对苯二酚（BP）共聚物制成的新型粘合剂。
他们的最新研究发表在 ACS 应用能源材料上，由 Noriyoshi Matsumi 教授领导，Tatsuo Kaneko教授、高级讲师Rajashekar Badam、博士生 Agman Gupta 和前博士后研究员 Aniruddha Nag 也参与其中。
那么相比较传统的 PVDF 粘合剂，BP共聚物都在哪些方面存在优势呢？首先，BP粘合剂提供了明显更好的机械稳定性和对阳极的附着力。这部分来自于双亚氨基苊基和石墨之间的所谓π-π相互作用，也来自于共聚物的配体对电池的铜集电体的良好附着力。
其次，BP共聚物不仅比PVDF的导电性能好得多，而且还能形成一个更薄的导电固体电解质界面，电阻更小。第三，BP共聚物不容易与电解质发生反应，这也大大防止了它的降解。所有这些优点结合起来导致了一些严重的性能改进，研究人员通过实验测量证明了这一点。
Matsumi 教授表示：“使用PVDF作为粘结剂的半电池在大约500次充放电循环后只显示出65%的原始容量，而使用BP共聚物作为粘结剂的半电池在超过1700次这样的循环后显示出95%的容量保持。基于BP共聚物的半电池还显示出非常高和稳定的库仑效率，这是一种比较在特定循环中流入和流出电池的电量的措施；这也表明了电池的长期耐久性。循环前后用扫描电子显微镜拍摄的粘合剂图像显示，只有微小的裂纹在BP共聚物上形成，而 PVDF 在不到总循环次数的三分之一时已经在形成大的裂纹”。
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影响，正如Matsumi教授解释的那样。他表示：“实现耐用电池将有助于开发更可靠的长期使用的产品。这将鼓励消费者购买更昂贵的基于电池的资产，如电动汽车，这将会使用很多年”。
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