随着电动汽车和规模化储能市场的快速发展，对锂离子电池能量密度的要求日益提高。高镍层状氧化物正极材料（如LiNiₓCo_yMn_zO₂）因其高比容量成为研究热点。为了提升电池能量密度，制备高载量厚电极至关重要，但这会加剧机械和界面应力，影响循环稳定性。本文介绍一种既能牢牢粘接活性物质，又能弹性缓冲机械应力，还可促进锂离子传输的新型聚合物刷网络粘结剂为高能量密度锂电池带来全新解决方案。

在厚电极中，重复循环期间整个电极层的反复压缩和松弛会导致严重的内应力积累，加速界面分层和结构失效。

聚偏氟乙烯（PVDF）作为传统正极粘结剂，在高镍厚正极中表现不足：对活性物质和集流体的粘附力弱，电极容易分层；缺乏弹性，无法适应颗粒重排；离子电导率有限，会促进电阻性界面层形成。

研究团队通过精巧的分子设计，开发出多功能聚合物刷网络粘结剂。该材料通过共价交联聚偏氟乙烯接枝聚丙烯酸与聚乙二醇二缩水甘油醚制备而成，整合了三大关键功能：

聚合物刷网络粘结剂的设计与功能贡献。（a）通过PB与PEGDGE交联制备PBN粘结剂的合成路线。（b）通过后交联过程使用PBN粘结剂制备NCM正极的示意图

强粘附力：富含羧酸的PAA侧链通过氢键与NCM表面和集流体紧密结合

伪弹性恢复：共价交联的刷状网络提供卓越的弹性应力消散能力

增强锂离子传输：PEG链段为锂离子提供高效配位和传输路径

力学测试结果显示，PBN粘结剂表现出独特的性能组合，几乎恢复了PVDF的初始伸长率，同时显著提高了杨氏模量。这种刚度与弹性的同步增强在聚合物材料中尤为难得。

三种粘结剂的机械性能对比。（a）通过拉伸测试获得的应力应变曲线。（b）根据应力应变曲线确定的每种粘结剂的杨氏模量、极限抗拉强度和韧性比较

循环加载卸载测试中，PBN在十个连续循环中几乎无滞后，展示了真正的伪弹性行为。蠕变恢复测试中，PBN实现了近80%的应变恢复，显著高于PB的60%和PVDF的45%。

粘附性能测试显示，PB的平均剥离力约为PVDF的三倍，而PBN在保持高粘附力的同时表现出更稳定的剥离曲线。

在实际电极加工中，差异更加明显：基于PVDF和PB的正极出现表面裂纹和活性物质分散不均，而PBN正极呈现均匀颗粒分布，无可见裂纹。在高载量条件下，PVDF正极无法完成加工，PB正极出现部分剥离，唯有PBN正极保持完好的结构完整性。

电化学测试结果令人振奋：PBN电池在0.5C循环条件下展现出比PVDF和PB电池更长的寿命。尽管PB具有高粘附强度，但其电池性能并未优于PVDF，表明单一强粘附不足以确保良好的电化学性能。

NCM正极的粘附性能和结构完整性。（a）使用PVDF、PB和PBN制备的NCM正极的180°剥离测试力位移曲线。（b）相应的平均剥离力值

在高倍率测试中，PBN电池在2C循环下表现出最高的容量保持率和放电容量。理论计算表明，PBN中的PEG部分为锂离子提供了热力学上有利的配位位点，有效降低了扩散能垒。

拆解循环后的电池发现，PVDF电池中复合层部分剥离，碎片附着在隔膜上，而PBN电池与集流体保持完整接触。更令人惊讶的是，PBN电池中的锂金属负极形成致密均匀的锂层，而PVDF电池中出现多孔枝晶状沉积。

微观结构分析显示，PVDF正极出现严重表面开裂和内部微裂纹，而PBN正极结构损伤极小。表面分析技术进一步证实，PBN有效抑制了电解质分解和过渡金属溶解，保持了更稳定的界面化学环境。

这项研究强调了粘结剂分子架构在控制电池机械和电化学稳定性方面的重要性。PBN粘结剂通过精巧的分子设计，成功解决了高镍正极特别是厚电极应用中的三大关键挑战，为下一代高能量密度锂离子电池的发展开辟了新道路。

该技术不仅适用于电动汽车领域，在规模化储能、便携式电子产品等方面同样具有广阔应用前景，标志着锂电池材料设计向多功能集成化迈出重要一步。

文章来源：美能锂电

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