科学家设计出用于锂和钠离子电池的高性能聚合物基电极粘合剂

未来几年，全球对电子设备和电动汽车的需求将继续增长和多样化。这种需求的增长需要具有更高效率、性能和安全存储技术的强大电池。

锂离子电池(LIB)已统治二次离子电池领域三十多年。然而，由于对不可持续的开采方式、高成本和地理分布不均的担忧，锂的供应量正在逐渐下降。

这促使研究人员和业界寻找锂离子电池的替代品。钠离子电池(SIB)是一个有希望的竞争者，因为钠在自然界中储量丰富、成本低廉且具有很高的电化学潜力。然而，在将其用于商业应用之前，需要解决某些问题。

首先，钠的离子半径大于锂，这导致离子动力学缓慢，相稳定性和界面形成复杂化。其次，需要开发不仅与LIB兼容且确保高性能的电极，也需要与SIB兼容。此外，碳基材料是LIB和SIB的有前途的电极，但它们也存在一些缺陷。

为了帮助提高电极的性能和稳定性，日本日本先端科学技术大学院大学(JAIST)的NoriyoshiMatsumi教授与其博士生AmarshiPatra将研究重点转向用于制造SIB电极的聚合物粘合剂。

在2024年9月12日发表在《先进能源材料》上的研究中，他们开发了一种新型高功能化、水溶性聚离子液体——聚(氧羰基亚甲基1-烯丙基-3-甲基咪唑)(PMAI)，并测试了其对LIB和SIB的结合能力。基于PMAI的阳极半电池表现出优异的电化学性能和循环稳定性。

“全球对能够快速充电放电并解决钠离子扩散动力学缓慢问题的材料的需求不断增加。这种具有密集离子液体官能团的聚合物基粘合剂可作为SIB中高性能电极系统的组成部分，”Matsumi教授解释说。

为了测试新型PMAI材料的有效性，研究人员分别将其用作LIB和SIB中的石墨阳极粘合剂和硬碳阳极粘合剂。

电化学评估结果表明，PMAI基阳极半电池表现出优异的电化学性能、高容量(LIBs在1C时为297mAhg-1，SIBs在60mAg-1时为250mAhg-1)和良好的循环稳定性，SIBs在200次循环后容量保持率为96%，LIBs在750次循环后容量保持率为80%。

此外，实验结果表明，由于密集极性离子液体基团和通过粘合剂还原形成功能化的固体电解质界面，离子扩散系数提高，电阻和活化能降低。

从使用PMAI作为阳极粘合剂的全电池检查可以明显看出性能和稳定性的提高，证明了这种新材料作为二次离子电池应用粘合剂的潜力。

“这类材料将用于商业应用的快速充电储能系统，因为这种粘合剂可以促进钠离子的扩散。这项研究将促进更先进材料的开发，为新型钠离子供电电子设备和电动汽车铺平道路，”松美教授总结道。

“我们开发的新型聚离子液体是一种新型材料。聚离子液体已被深入研究用于各种应用，例如储能装置、生化应用、传感应用、催化应用等。我们新型的密集离子液体功能化聚合物在上述各个研究领域具有潜在用途。”