伴隨著消費電子行業的飛速發展，人類對層狀鈷酸鋰正極材料(LiCoO2，LCO)的能量密度和循環壽命提出了更高的要求。然而，在4.5V(vs Li+/Li)以上的電壓下，LCO會發生嚴重的結構退化，造成電池容量迅速衰減。傳統的聚偏二氟乙烯粘結劑(PVDF)具有良好的電化學穩定性，但是在電極制備過程中需要使用有毒溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)，同時與正極顆粒之間的相互作用較弱，不能有效地抑制界面副反應。因此需要開發一種低成本、環保且適用于高電壓LCO正極的粘結劑。
 

　　羧甲基纖維素鈉(CMC)作為負極材料的水系粘結劑被廣泛使用，然而極少被應用于高電壓正極。一系列電化學測試顯示，CMC粘結劑在高電壓和大電流的情況下會發生嚴重的分解現象，正極界面產生大量的副反應，誘發正極材料的不可逆相變和過渡金屬離子溶出現象的發生。
 

圖1 CMC-TPS粘結劑的合成示意圖
 

　　針對上述問題，深圳研究生院新材料學院潘鋒教授/楊盧奕副研究員團隊提出了基于超快高溫燒結技術的改性策略，通過快速升溫和降溫對CMC的分子結構進行裁剪，去掉了高電壓下不穩定的羧基官能團并形成了含有大量醚鍵的鏈狀結構(記作CMC-TPS)，加快了循環過程中的Li+傳輸速率；同時局部的高溫會導致粘結劑發生部分碳化，提高電極整體的導電性。團隊還結合多維度的表征技術研究了CMC-TPS粘結劑提高LCO電化學性能的改善機理，發現通過熱處理粘結劑在正極顆粒表面形成一層均勻的包覆層，有效地減輕了不可逆相變和界面副反應。此外在加熱過程中粘結劑上的羧基還會和集流體上的羥基脫水縮合形成共價鍵，提高電極的粘附力。通過理論計算，CMC-TPS粘結劑會降低正極表面的O元素2p軌道中心能量，穩定高電壓下正極的表面晶格并抑制過渡金屬離子溶出，顯著提高正極界面穩定性。本研究基于理論計算，成功設計并合成了一種多功能LCO正極水系粘結劑，該策略在石墨負極中同樣適用，為高電壓LCO基鋰離子電池的開發提供了新的研究思路。相關研究成果以“Tailoring Sodium Carboxymethylcellulose Binders for High-Voltage LiCoO2 via Thermal Pulse Sintering”為題，發表于國際期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上。(DOI: 10.1002/anie.202423796)
 

圖2 CMC-TPS粘結劑改善LCO正極的作用機制
 

　　該工作在潘鋒，楊盧奕和廈門大學助理教授尹祖偉的共同指導下完成，北京大學深圳研究生院新材料學院博士生陳詩名和香港城市大學理學院化學系博士生朱珩堯為文章的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、電動汽車動力電池與材料國際聯合研究中心、廣東省新能源材料設計與計算重點實驗室、深圳市新能源材料基因組制備和檢測重點實驗室的支持。