導電高分子凝膠是一種擁有廣闊應用前景的新型材料，因為它既是一種有機導體，又繼承了凝膠材料獨特的三維網(wǎng)絡結構和由此產(chǎn)生的獨特物理化學性質，比如較大的表面積、高孔隙率以及結構可調控性。近日，德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授（點擊查看介紹）團隊利用導電高分子凝膠的這些獨特性質，設計開發(fā)了新型鋰離子電池粘合劑，有效提高了電池電極的性能。
鋰離子電池的電極通常由電極材料和粘合劑組成。近年來，一大批新型電極材料，尤其是納米結構的電極材料成功合成。然而，這些高性能材料對鋰離子電池粘合劑的要求也面臨著挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)粘合劑由導電添加劑（通常為碳納米顆粒）和絕緣高分子組成，由于缺乏結構上的良好穩(wěn)定性與相容性，無法實現(xiàn)電極內各種成分的均勻分布，無法同時保證電極內高效的電子和離子傳輸，從而導致電極中傳輸瓶頸的出現(xiàn)。
德克薩斯大學奧斯汀分校團隊設計開發(fā)的基于導電高分子凝膠的新型鋰離子電池粘合劑很好地解決了上述問題。他們采用多官能團分子（植酸、酞菁銅等）作為交聯(lián)劑，將導電高分子（聚吡咯）在電極材料分散液中原位聚合并且交聯(lián)，形成擁有3D網(wǎng)絡結構的電池電極。該凝膠粘合劑在電極中構建了一個擁有高電導率的骨架，將嵌于其中的電極材料互相連接，從而為每一個活性材料顆粒提供高效的導電通路。與此同時，三維結構電極中的多孔結構能促進電解液在電極中流動，從而改善離子的傳輸。得益于原位聚合，導電高分子凝膠粘合劑能在每一個電極材料顆粒的表面形成高分子薄層，從而避免顆粒的聚集，保證了通往每一個顆粒的電子離子傳輸。以上這些特性保證了電池電極的優(yōu)良倍率性能。另外，得益于高分子材料的粘彈性，凝膠骨架能協(xié)調電極材料在電化學反應中產(chǎn)生的體積變化，從而保證傳輸通路的穩(wěn)定性，提高電極的使用壽命。
導電高分子凝膠粘合劑的特性能通過使用不同交聯(lián)分子進行調控，從而廣泛適用于各種電極材料。另外，該材料制備簡單、價格低廉，有望適用于工業(yè)生產(chǎn)，成為下一代商用鋰離子電池粘合劑。
科研思路分析
Q：這項研究的最初目的是什么？或者說想法是怎么產(chǎn)生的？
A：如上所述，我們的研究興趣是合成擁有納米結構的導電高分子材料，對它們的結構和性能進行調控并發(fā)展可能的應用。我們發(fā)現(xiàn)采用一些特殊的多官能團分子作為交聯(lián)劑，導電高分子能形成三維納米結構，從而呈現(xiàn)凝膠狀態(tài)。這樣的導電高分子凝膠表現(xiàn)出高導電率、多孔結構和粘彈性。多年從事鋰離子電池研究的經(jīng)驗告訴我們這可能是一種較理想的電池粘合劑。后面的研究結果也證明導電高分子凝膠能極大地提高電極的倍率以及循環(huán)性能。
Q：研究過程中遇到的最大挑戰(zhàn)在哪里？
A：本項研究中最大的挑戰(zhàn)是如何保證凝膠粘合劑與納米電極材料的良好相容性。通過多次試驗，我們采用了原位聚合的辦法，并通過控制聚合過程中原料比例、溫度、反應時間等多個條件，實現(xiàn)了納米材料的良好分散以及與粘合劑的均勻接觸。
Q：本項研究成果最有可能的重要應用有哪些？哪些領域的企業(yè)或研究機構最有可能從本項成果中獲得幫助？
A：我們開發(fā)的導電高分子凝膠制備簡單、價格低廉、適用性廣泛，有望成為下一代商用鋰離子電池粘合劑。
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