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中国科大陈立锋教授课题组 Adv. Mater.: 设计高离子传导性与高粘结强度三醋酸纤维素基通用粘结剂用于高压钠离子电池阴极
2025-04-07  来源:高分子科技
  钠离子电池因其天然丰度高、低成本和钠资源的广泛可用性而成为锂离子电池的有前景的替代品。然而,高性能钠离子电池阴极的发展受到重大挑战的阻碍,包括有限的离子电导率、阴极结构完整性差以及高压条件下的低循环稳定性。在影响钠离子电池阴极性能的各种因素中,粘结剂的选择在保持电极完整性、提高离子电导率和促进重复充放电循环中的有效电荷传输方面起着关键作用。然而,传统的水基和有机溶剂基粘合剂在钠离子电池阴极中的应用受到结合强度差、离子电导率低、阴极湿度敏感性的阻碍。生物质基粘结剂因其可再生性、环境友好性和内在功能特性而成为储能应用的有前景的途径。然而,实现高压钠离子电池阴极所需的通用性、高离子电导率和优异的粘结强度仍然是一个重大挑战。因此,开发一种能够满足这些严格要求的生物质基粘结剂是一个关键的研究重点。用于高压钠离子电池阴极的生物质基粘结剂应满足以下标准:(1通用性和在高压条件下对电极有效保护2)高离子电导率以改善反应动力学3)优异的粘结强度以保持电极完整性。实现这些目标需要合理地选择开发生物质基粘结剂的组分。



1 TAC-MMT的设计原则及工作机制


  在这项研究中,设计了一种由三醋酸纤维素和天然蒙脱土交联组成的通用三醋酸纤维素基粘结剂(TAC-MMT),以促进钠离子的快速传输途径并建立强大的氢键网络。这种创新的TAC-MMT粘结剂具有独特的化学结构,通过自富集和快速传输机制实现了高离子电导率,而其优异的结合强度归因于三醋酸纤维素中的质子受体(C=O)和蒙脱土中的质子供体(-OH)之间的氢键交联。更重要的是,TAC-MMT出色的溶解性和成膜性能有助于稳定的电极保护和与高压钠离子电池阴极的广泛兼容性。得益于这些优势,采用TAC-MMT粘结剂的Na3V2(PO4)2O2F电极表现出卓越的性能,包括在5C500次循环的高容量保持率为95.2%,以及高达15C的快速速率响应。TAC-MMT粘结剂的多功能性在高压NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2Na0.61[Mn2.7Fe0.34Ti0.39]O2阴极上得到了进一步证实。本研究强调了生物质基粘结剂作为推进高性能钠离子电池的可持续和有效解决方案的潜力。



2 TAC-MMT的电化学性能评估



3 TAC-MMT的动力学评估



4 TAC-MMT的电极完整性评估



电极界面性能评估



电极稳定性评估


  相关研究成果以“Designing Cellulose Triacetate-Based Universal Binder for High-Voltage Sodium-Ion Battery Cathodes with Enhanced Ionic Conductivity and Binding Strength”为题发表在Advanced Materials(2025, 10.1002/adma.202501531)期刊上。文章的第一作者是中国科学技术大学硕士研究生张宇桢。中国科学技术大学陈立锋教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金优秀青年科学家(海外)资助项目(GG2090007003)、国家自然科学基金(U2230101)、中央高校基本科研业务费专项资金(WK2490000002)和中国科大启动经费资助。


  原文链接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501531

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(责任编辑:xu)
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