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如果你的手機(jī)使用超過1年時(shí)間，那么你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)“電池越來越不經(jīng)用了”。這主要是因?yàn)殇囯x子電池的退化導(dǎo)致的，這大大限制了便攜式電子設(shè)備的使用壽命，間接造成了巨大的污染和經(jīng)濟(jì)損失?？紤]到這些問題的嚴(yán)重性，研究人員一直在積極尋求改善鋰電池的先進(jìn)方法。
鋰離子電池容量隨時(shí)間下降的主要原因之一是廣泛使用的石墨陽極的退化，也就是電池的負(fù)極。陽極與陰極和電解質(zhì)(或在兩個(gè)終端之間攜帶電荷的介質(zhì))一起，為電池的充電和放電提供了一個(gè)可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境。然而，石墨需要一種粘合劑，以防止它隨著使用而散開。今天最廣泛采用的粘合劑，聚偏二氟乙烯(PVDF)，有一系列的缺點(diǎn)，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一種理想的材料。
為了解決這些問題，日本高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所(JAIST)的一個(gè)研究小組正在研究一種由雙-亞氨基-苊醌-對(duì)苯二酚(BP)共聚物制成的新型粘合劑。
他們的最新研究發(fā)表在ACS應(yīng)用能源材料上，由Noriyoshi Matsumi教授領(lǐng)導(dǎo)，Tatsuo Kaneko教授、高級(jí)講師Rajashekar Badam、博士生Agman Gupta和前博士后研究員Aniruddha Nag也參與其中。
那么相比較傳統(tǒng)的PVDF粘合劑，BP共聚物都在哪些方面存在優(yōu)勢呢？首先，BP粘合劑提供了明顯更好的機(jī)械穩(wěn)定性和對(duì)陽極的附著力。這部分來自于雙亞氨基苊基和石墨之間的所謂π-π相互作用，也來自于共聚物的配體對(duì)電池的銅集電體的良好附著力。
其次，BP共聚物不僅比PVDF的導(dǎo)電性能好得多，而且還能形成一個(gè)更薄的導(dǎo)電固體電解質(zhì)界面，電阻更小。第三，BP共聚物不容易與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這也大大防止了它的降解。所有這些優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來導(dǎo)致了一些嚴(yán)重的性能改進(jìn)，研究人員通過實(shí)驗(yàn)測量證明了這一點(diǎn)。
Matsumi 教授表示：“使用PVDF作為粘結(jié)劑的半電池在大約500次充放電循環(huán)后只顯示出65%的原始容量，而使用BP共聚物作為粘結(jié)劑的半電池在超過1700次這樣的循環(huán)后顯示出95%的容量保持。基于BP共聚物的半電池還顯示出非常高和穩(wěn)定的庫侖效率，這是一種比較在特定循環(huán)中流入和流出電池的電量的措施；這也表明了電池的長期耐久性。循環(huán)前后用掃描電子顯微鏡拍攝的粘合劑圖像顯示，只有微小的裂紋在BP共聚物上形成，而PVDF在不到總循環(huán)次數(shù)的三分之一時(shí)已經(jīng)在形成大的裂紋”。
這項(xiàng)研究的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為開發(fā)持久的鋰離子電池鋪平道路。反過來，這可能會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響，正如Matsumi教授解釋的那樣。他表示：“實(shí)現(xiàn)耐用電池將有助于開發(fā)更可靠的長期使用的產(chǎn)品。這將鼓勵(lì)消費(fèi)者購買更昂貴的基于電池的資產(chǎn)，如電動(dòng)汽車，這將會(huì)使用很多年”。
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