科学家研发BP共聚物 让锂电池寿命更持久
如果你的手机使用超过 1 年时间，那么你可能会发现“电池越来越不经用了”。这主要是因为锂离子电池的退化导致的，这大大限制了便携式电子设备的使用寿命，间接造成了巨大的污染和经济损失。考虑到这些问题的严重性，研究人员一直在积极寻求改善锂电池的先进方法。
锂离子电池容量随时间下降的主要原因之一是广泛使用的石墨阳极的退化，也就是电池的负极。阳极与阴极和电解质（或在两个终端之间携带电荷的介质）一起，为电池的充电和放电提供了一个可以发生电化学反应的环境。然而，石墨需要一种粘合剂，以防止它随着使用而散开。今天最广泛采用的粘合剂，聚偏二氟乙烯（PVDF），有一系列的缺点，使其远远不是一种理想的材料。
为了解决这些问题，日本高级科学技术研究所（JAIST）的一个研究小组正在研究一种由双-亚氨基-苊醌-对苯二酚（BP）共聚物制成的新型粘合剂。
他们的最新研究发表在 ACS 应用能源材料上，由 Noriyoshi Matsumi 教授领导，Tatsuo Kaneko教授、高级讲师Rajashekar Badam、博士生 Agman Gupta 和前博士后研究员 Aniruddha Nag 也参与其中。
那么相比较传统的 PVDF 粘合剂，BP共聚物都在哪些方面存在优势呢？首先，BP粘合剂提供了明显更好的机械稳定性和对阳极的附着力。这部分来自于双亚氨基苊基和石墨之间的所谓π-π相互作用，也来自于共聚物的配体对电池的铜集电体的良好附着力。
其次，BP共聚物不仅比PVDF的导电性能好得多，而且还能形成一个更薄的导电固体电解质界面，电阻更小。第三，BP共聚物不容易与电解质发生反应，这也大大防止了它的降解。所有这些优点结合起来导致了一些严重的性能改进，研究人员通过实验测量证明了这一点。
Matsumi 教授表示：“使用PVDF作为粘结剂的半电池在大约500次充放电循环后只显示出65%的原始容量，而使用BP共聚物作为粘结剂的半电池在超过1700次这样的循环后显示出95%的容量保持。基于BP共聚物的半电池还显示出非常高和稳定的库仑效率，这是一种比较在特定循环中流入和流出电池的电量的措施；这也表明了电池的长期耐久性。循环前后用扫描电子显微镜拍摄的粘合剂图像显示，只有微小的裂纹在BP共聚物上形成，而 PVDF 在不到总循环次数的三分之一时已经在形成大的裂纹”。
这项研究的理论和实验结果将为开发持久的锂离子电池铺平道路。反过来，这可能会产生深远的经济和环境影响，正如Matsumi教授解释的那样。他表示：“实现耐用电池将有助于开发更可靠的长期使用的产品。这将鼓励消费者购买更昂贵的基于电池的资产，如电动汽车，这将会使用很多年”。
新型BP共聚物粘合剂可有效延长锂电池寿命
得益于日本科学家发现的新型粘合剂材料，可充电电池的使用寿命有望得到显著改善。与传统材料相比，新材料在锂电池性能方面也取得了激动人心的进步。研究团队在近日于《ACS 应用能源材料》期刊上发表的一篇文章中指出，新设计可较传统方案更有效地维持电池的循环充放电性能。
采用石墨负极共聚物粘合剂的新型锂离子电池（图自：JAIST）
对于智能手机和电动汽车用户来说，这项突破有助于大幅延长电池的循环充放电性能。而不像当前的智能机电池一样，用个两年就发生严重的容量缩减。
考虑到电池内部有许多可移动的部件，日本科学技术高等研究院（KAIST）的这项研究，也将重点放在了一种共聚物粘合剂上。
通过将锂电池石墨阳极的颗粒凝聚在一起，并使之与集电器接触，新材料可以维持阳极的长期高效发挥。
作为对比，当前普遍采用的锂电池粘合剂，是由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成的。通过坚持不懈的探索，研究人员终于找到了一种更高效的替代品。
据悉，这种新型粘合剂由一种被称作“双亚氨基-ac醌-对苯撑”的共聚物制成。
在将其用于实验性的半电池组件之后，实测发现它能够与集电器高效结合，同时对锂电池阳极加以更好的保护。
实验期间，研究团队还观察到了诸多实质性的性能提升，且即便经历了高频次的充放电周期，其容量仍可维持在相当高的水平。
过去 30 年间，石墨一直稳占锂离子电池的负极。
带领这项研究的 Noriyoshi Matsumi 教授表示：“使用 PVDF 作为粘合剂的半电池，可在大约 500 次充放电循环后保持 65% 的原始容量。但换用 BP 共聚物之后，其可在 1700 次循环后维持高达 95% 的原始容量”。
研究团队指出，这得益于 BP 共聚物具有的更好的机械稳定性、以及对阳极和集电器拥有更强的附着力。显微图像表明，新材料仅会在 1700 次循环后呈现微小的裂纹，而传统 PVDF 粘合剂则在 500 次循环后呈现了更大的裂纹。
展望未来，我们或在长寿命智能机、EV 动力电池、人造器官等领域看到它的身影。不过在看到新材料被广泛应用于电子设备之前，研究团队仍需加以大量的设计改进。
有关这项研究的详情，已经发表于近日出版的美国化学学会《应用能源材料》（ACS Applied Energy Materials）期刊上。
原标题为《Bis-imino-acenaphthenequinone-Paraphenylene-Type Condensation Copolymer Binder for Ultralong Cyclable Lithium-Ion Rechargeable Batteries》。
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