日研發(fā)新型材料 有效提升鋰電池和鈉電池性能

　作為充電電池，鋰電池和鈉電池已成為不可或缺的產(chǎn)品，但它們有成本高、壽命短、性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。為解決這些問(wèn)題，日本的科學(xué)家研發(fā)出一種新型聚合物基黏合劑，可大大改善電池性能。

　　盡管鋰電池一直占領(lǐng)充電電池領(lǐng)域，但它的缺點(diǎn)使人們不得不尋找其替代品。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直試圖用鈉電池替代鋰電池，因?yàn)殁c在自然界中含量豐富，具有成本低、較高的電化學(xué)潛力。但鈉電池也有缺點(diǎn)，就是其穩(wěn)定性不好。

　　目前人們使用便宜的碳材料，作成鋰電池和鈉電池的陽(yáng)極。這些陽(yáng)極主要靠傳統(tǒng)的聚偏二氟乙烯和苯乙烯-丁二烯橡膠聚合物黏合。不過(guò)，這些聚合物屬于非離子導(dǎo)電的黏合劑，無(wú)法有效傳輸鋰離子和鈉離子，極大限制了電池的容量比、充電速度和循環(huán)壽命。

　　這次日本北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)，研制出一種新型密集功能化聚離子液體（DFPIL）黏合劑。他們把含有大量水溶性聚合物PMAI（由多個(gè)氧羰基亞甲基1-烯丙基-3-甲基咪唑合成）的黏合劑與電池陽(yáng)極結(jié)合后，發(fā)現(xiàn)可明顯改善陽(yáng)極使用PVDF時(shí)的不足。

　　研究人員分別在LIB電池的陽(yáng)極石墨、SIB電池的陽(yáng)極硬碳黏合劑中，加入新型PMAI材料，并對(duì)這些電極進(jìn)行電化學(xué)、循環(huán)充放電測(cè)試，同時(shí)用橫斷面影像觀察電極的內(nèi)部變化。

　　結(jié)果顯示，LIB基于PMAI的電池陽(yáng)極部分在1庫(kù)倫（1安培電流在1秒鐘內(nèi)傳遞的電荷量）時(shí)，表現(xiàn)出297mAh/g的電池容量，而LIB使用傳統(tǒng)的PVDF材料時(shí)，其電池容量只有228mAh/g。此外，SIB電池陽(yáng)極在使用PMAI之后，其電池容量比使用PVDF材料增加了近30%。

　　另外，LIB和SIB也都表現(xiàn)出了出色的循環(huán)穩(wěn)定性。LIB在使用PMAI的情況下，經(jīng)過(guò)750次循環(huán)充放電，其電池最大容量保持率約80%，但使用時(shí)PVDF材料只有72%；而SIB在經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后，其容量保持率有96%，但使用PVDF材料則只有88%。

　　這說(shuō)明兩者在PMAI材料影響下，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和高容量。性能的提升與PMAI強(qiáng)力附著在活性材料和銅箔上使其有穩(wěn)定電化學(xué)性能有關(guān)，并緩解石墨電極在多次充放電后形成的膨脹。

　　另外，實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)儀器發(fā)現(xiàn)，含有PMAI聚合物的黏合劑，里面的構(gòu)造密集排列，形成許多利于鈉和鋰離子穿梭的通道，讓這些離子們能夠在碳、石墨層中進(jìn)行良好的穿越，這能降低電阻也增強(qiáng)離子的電導(dǎo)率和電池容量比。

　　這些結(jié)果足以證明，使用PMAI聚合物的LIB和SIB，具有良好的實(shí)際應(yīng)用潛力，未來(lái)有望可以應(yīng)用到更多的充電電池上面。

　　當(dāng)被問(wèn)到是什么讓這種新材料與眾不同時(shí)，北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)的堀木松美教授對(duì)該校新聞室表示，“全球?qū)δ軌蚩焖俪浞烹姷碾姵匦枨笤黾?，因此急需要解決鈉電池中鈉離子擴(kuò)散緩慢的問(wèn)題。這種含有致密離子液體的聚合物基黏合劑，可以有效解決鈉電池存在的問(wèn)題?！?/p>

　　他解釋?zhuān)靶滦途酆衔铮x子液體）是一類(lèi)新型材料，且已針對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備、生化應(yīng)用、感測(cè)應(yīng)用、催化等應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。我們所開(kāi)發(fā)的新型聚合物在上述各個(gè)研究領(lǐng)域具有潛在的用途?！?/p>

　　該項(xiàng)研究成果于9月12日發(fā)布在《先進(jìn)能源材料》上。