導(dǎo)電高分子凝膠是一種擁有廣闊應(yīng)用前景的新型材料，因為它既是一種有機導(dǎo)體，又繼承了凝膠材料獨特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和由此產(chǎn)生的獨特物理化學(xué)性質(zhì)，比如較大的表面積、高孔隙率以及結(jié)構(gòu)可調(diào)控性。近日，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授（點擊查看介紹）團隊利用導(dǎo)電高分子凝膠的這些獨特性質(zhì)，設(shè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)上的良好穩(wěn)定性與相容性，無法實現(xiàn)電極內(nèi)各種成分的均勻分布，無法同時保證電極內(nèi)高效的電子和離子傳輸，從而導(dǎo)致電極中傳輸瓶頸的出現(xiàn)。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校團隊設(shè)計開發(fā)的基于導(dǎo)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(dǎo)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(luò)結(jié)構(gòu)的電池電極。該凝膠粘合劑在電極中構(gòu)建了一個擁有高電導(dǎo)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(dǎo)電通路。與此同時，三維結(jié)構(gòu)電極中的多孔結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(diào)電極材料在電化學(xué)反應(yīng)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(dǎo)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(diào)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。

該論文作者為：Ye Shi, Jun Zhang, Andrea M. Bruck, Yiman Zhang, Jing Li, Eric A. Stach, Kenneth J. Takeuchi, Amy C. Marschilok, Esther S. Takeuchi, Guihua Yu

A Tunable 3D Nanostructured Conductive Gel Framework Electrode for High-Performance Lithium Ion Batteries

Adv. Mater., 2017, 29, 1603922, DOI: 10.1002/adma.201603922