鋰硫電池具有極高的理論比容量(1675mAhg-1)，且硫含量豐富，價格低廉，被廣泛地認為是未來大規(guī)模儲能領域應用發(fā)展的方向。通常，鋰硫電池中的正極主要包括四個組成部分：集流體，電化學活性硫材料，導電碳添加劑和聚合物粘結劑。聚合物粘結劑通常是惰性的，不導電的，并且通常以小劑量加入到電極中。然而，聚合物粘結劑在硫正極中起著不可或缺的作用，包括：1)確保活性硫顆粒與導電碳主體之間的緊密接觸;2)提供強大的粘合力以將S/C活性材料結合到集流體上;3)緩解充放電期間硫的體積變化并保持電極結構的完整性。尤其是在具有高面積硫負載量的情況下，聚合物粘結劑的作用對于維持正極的結構穩(wěn)定性是至關重要的;4)由于元素硫和放電產物的絕緣性質，開發(fā)了聚合物粘結劑以促進硫正極中的Li離子傳輸和電子轉移;此外，對于Li-S電池中的穿梭效應，還可以引入能夠與多硫化物相互作用的功能性結合物，5)捕獲可溶性多硫化物，6)促進多硫化物的氧化還原反應動力學，7)最終調節(jié)可溶性多硫化物中間體的溶解和擴散。

近日，清華大學張強教授、北京理工大學陳人杰教授、黃佳琦研究員聯合東京大學xiangrong教授(共同通訊作者)在AdvancedEnergyMaterials上撰寫了題為“AReviewofFunctionalBindersinLithium–SulfurBatteries”的綜述文章。該綜述著眼于聚合物粘合劑的功能和效果，系統(tǒng)地總結了最近在硫正極中的聚合物粘合劑研究方面的進展，根據粘合劑的主要功能對粘合劑進行了分類，包括機械性能，電/離子傳導率，多硫化物調節(jié)和其他特殊功能。此外，提出了功能性粘結劑的合理設計原則。最后，提出了高性能粘結劑設計的關鍵挑戰(zhàn)和前景。

【圖文導讀】

圖一Li-S電池中聚合物粘合劑的功能性

粘結劑的機械強度

圖2.(a)在150℃下CA中的CMC和COOH基團中的OH基團的酯化的交聯的示意圖以及使用PVDF和交聯CMC-CA粘合劑的硫正極表面的掃描電子顯微鏡圖像。(b)GG和XG的化學結構，GG和XG之間的分子間結合效應的示意圖以及具有不同粘結劑的硫正極循環(huán)性能

圖3.PAMAM樹枝狀大分子的示意圖，提出了粒子水平的樹枝狀聚合物-硫-MWCNT相互作用的示意圖，以及基于G4CMP樹枝狀大分子粘結劑的Li-S電池的循環(huán)性能

總結：已經有許多有效的策略來通過改善粘結劑的機械性能來增強硫電極的穩(wěn)定性和完整性。然而，沒有有效的方法來完全適應體積膨脹以實現具有高硫面積負載量的鋰硫電池的長期運行。在粘合劑和活性材料之間合理地集成兩種或更多種方法是在長循環(huán)壽命期間實現具有穩(wěn)定能量輸出的鋰硫電池的有希望的策略。

粘結劑增強電導率和離子電導率

圖4PFM，PEDOT，PVP和PVDF粘合劑的化學結構，以及在C/10下用不同粘結劑制造的硫正極的循環(huán)性能和自放電性能

圖5.具有PEO10LiTFSI納米薄膜涂層的電極和通過溶脹的PEO10LiTFSI凝膠抑制多硫化物的示意圖，以及在不同電解質量下具有PEO10LiTFSI粘合劑的Li-S紐扣電池的循環(huán)性能。

粘結劑對多硫化物的調節(jié)作用

圖6.(a)理論計算模擬顯示最穩(wěn)定的配置和計算的Li2S與PVP和PVDF結合物的結合能，以及含有PVP和PVDF粘結劑劑的不同電極漿料的光學顯微鏡和數碼圖像。(b)AFG粘合劑的分子結構示意圖，在不同的電流倍率下循環(huán)性能

圖7.天然角叉菜膠的分子結構及其與多硫化物的替代反應，在聚合物骨架上形成固定化多硫化物，24小時內可溶性多硫化物在不同粘合劑上的視覺吸附效果

其他效果

圖8.具有阻燃性能的無機聚合物粘結劑。a)多磷酸銨(APP)的化學結構。b)基于第一原理模擬的APP粘合劑與Li2S6的吸附構象和計算的結合能。c)APP和PVDF粘合劑與各種Li-S物質的結合強度的比較。d)APP粘合劑的阻燃過程示意圖。

圖9.具有水溶性的環(huán)境友好型聚合物粘合劑。C-β-CD粘合劑的合成示意圖，復合硫陰極與β-CD，C-β-CD，PVDF和聚四氟乙烯(PTFE)粘合劑在0.2C下的循環(huán)性能對比

【總結與展望】

由于高能量密度，低成本和環(huán)境友好性，Li-S電池是未來商業(yè)儲能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然而，由于Li-S電池系統(tǒng)的獨特性和復雜性，Li-S電池的實際操作受到庫倫效率低下，循環(huán)壽命較低和低倍率性能的限制。粘結劑作為電池中必不可少的一部分，起著緩沖體積膨脹/收縮，保持導電碳，活性硫和集電器之間的電接觸的作用，并在循環(huán)過程中穩(wěn)定電極結構。為了開辟推動Li-S電池商業(yè)化進程的新途徑，開發(fā)出具有一些獨特功能的新興聚合物粘合劑，以解決或緩解Li-S電池中存在的問題是十分迫切的。