如果说锂电池的诞生，推动了手机、随身听以及 3C 产品的飞快发展。那么锂电池的不断进化，则推动了新能源汽车行业的飞速发展。

  锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。因其寿命长、容量大、使用安全等特点而被广泛应用。

  锂电池的前世今生

  从 1912 年 Gilbert N. Lewis 第一次提出锂金属电池，到九十年代埃克森美孚的 M. S. Whittingham 制成首个锂离子电池，再到 1991 年索尼公司发布首个商用锂离子电池，锂离子电池正极材料从硫化钛、钴酸锂到锰尖晶石、磷酸盐，负极材料从金属锂到石墨，锂离子电池以其更低的能量成本和优异的性能广泛地应用于手机等数码产品中，并逐渐向其他领域应用和发展。

  我国从上世纪九十年代开始涉猎研究锂离子电池，最初只能跟踪研仿，到现在已经成为动力电池的主要生产者，共经历了这几个发展阶段：

  第一阶段：上世纪 90 年代 ~ 2007 年

  1992 年，中国电子科技集团公司第十八研究所在国内率先开始了锂离子电池的研究，并于 1996 年成功研制出可批量生产的电池，主要应用于消费类产品。此阶段中，我国锂电池以研发为主。

  与此同时，比亚迪、比克等锂电池企业开始量产锂离子电池，并布局、研发出了新能源汽车，加速了锂电池的研发和应用。

  第二阶段：2008 年 ~ 2016 年

  在此阶段中，移动设备的使用量和需求大量增加，使得锂离子电池的需求也大量增加，消费锂离子电池经历了快速增长并趋于平缓发展。此外，在全球减碳的背景下，以奥运会为契机，在政府的大力扶持下，电动车得到了极大的普及与使用。之后，国家将新能源汽车的发展纳入到国家发展战略中，越来越多的企业加入这个行列，推动着动力锂离子电池的快速发展。

  第三阶段：2017 年 ~ 至今

  在中国经济大力发展、人们消费水平不断提高的基础上，受政策的影响，新能源汽车快速发展，这也为锂电池带来了广阔的发展空间。但锂离子电池广泛采用的液态电解质，其安全性有待提高。此外，目前广泛使用的铁锂和三元正极材料能量密度已经达到了极限，研制新型电池将是未来我们要去做的事情。

  锂硫电池会是未来的终极电池吗？

  锂离子电池的正极材料主要是钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元等，含有钴、镍等贵金属，成本相对来说比较高，且贵金属资源的稀缺会限制大规模应用和长期发展。另一方面，虽然经过近 30 年的发展，锂离子电池的能量密度从 100 Wh/kg 提高到了将近 300 Wh/kg，但是受限于正极材料，其能量密度已经达到了上限，使得低成本、环境友好、高比能的锂硫电池受到了科研界和产业界的广泛关注，被认为是一种非常有发展前景的储能电池器件。

  首先，单质硫在地球中储存量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点；其次，单质硫比目前商业上广泛使用的正极材料理论比容量高 8~10 倍。

  虽然锂硫电池优势突出，但是锂硫电池的发展面临着诸多的挑战，有如下三个主要问题：

  一、可溶性电化学中间产物多硫化物会引发比较严重的穿梭效应，使得活性物质利用率低，导致容量快速衰减；

  二、硫和硫化锂的相互转化作用会导致比较大的体积膨胀，导致电极结构被破坏；

  三、活性物质硫和放电最终产物硫化锂的导电性比较差，阻碍了后续的电化学反应。

  其中，穿梭效应是导致电池容量快速衰减的主要原因。研究者们大多是针对正极材料改性、电解液改性、隔膜改性和负极保护等角度出发去研究改进。

  今年 7 月，武汉理工大学麦立强教授、中国地质大学（武汉）孙睿敏教授在Advanced Functional Materials期刊上发表了名为《水溶性交联多功能粘结剂用于锂硫电池》的文章。两位教授则将研究重点放在了电极体系中的粘结剂，通过制备优质的粘结剂来改进锂硫电池的性能。

  络绎知图有幸邀请到了中国地质大学（武汉）孙睿敏教授，讲述水溶性交联多功能粘结剂的制备以及采用超微孔碳储硫的缘由和原理。（以下内容整理自孙教授的直播内容，并在此基础上进行了适当补充）

  水溶性交联多功能粘结剂的制备和试验

  在电池电化学体系中，粘结剂是电极的重要组成部分，它的基本功能是将活性材料与导电添加剂粘附在一起来改善它们之间的电接触，并在电化学过程中保持电极的结构稳定性。此外，粘结剂还会影响整个电极的形态，如分散状态、孔结构等。

  目前，电极中广泛应用的粘结剂是聚偏氟乙烯（PVDF），但这种粘结剂有其固有的缺点，如在电解液中极易被溶胀，导致电极结构坍塌、使得活性物质损失，且这种粘结剂并不能抑制多硫化物的穿梭效应。

  图丨聚偏氟乙烯（来源：孙睿敏老师，络绎知图整理）

  而一种理想状态下的粘结剂应具有强粘结性能和良好机械性能、能够抑制穿梭效应且拥有离子/电子导电性。

  为了得到这种理想状态下的粘结剂，目前大部分研究者主要从以下三个方面来改造粘结剂：

  图丨粘结剂的三种常见改造方法（来源：孙睿敏老师，络绎知图整理）

  这三种方式虽然能够提升粘结剂的性能，但是制备过程复杂，不利于实际应用和商业化。

  那么如何制备出既符合理想状态，又满足商业化的粘结剂呢？

  麦教授和孙教授选择了水溶性粘结剂（成本低、环境友好、制备过程简便），同时引入离子导电型组分（改善电极反应动力学，提高倍率性能）和极性组分（抑制穿梭效应，提高循环稳定性）。

  基于以上原则，他们将基材选定为成本低、具有良好粘结性、分散性和水溶性的明胶 (GN) ，并在此基础上进行改性。通过明胶和硼酸 (BA) 的配位交联作用和氢键作用制备出了 GN-BA 交联粘结剂。既能有机结合明胶基材的粘结分散力，又能结合硼酸化学吸附多硫化物的性能。

  图丨明胶与明胶-硼酸分子式（来源：孙睿敏老师，络绎知图整理）

  为了测试其性能，他们先是进行了多硫化物的吸附实验，实验结果如下图，证明 GN-BA 交联粘结剂与硫化物之间存在一定的化学键合作用，能够有效抑制穿梭效应；

  图丨结构表征（来源：孙睿敏老师，络绎知图整理）

  而后将这种粘结剂浸泡在电解液中进行溶胀实验，通过与聚偏氟乙烯 (PVDF) 进行实验对比，发现 GN-BA 交联粘结剂有较强分子间作用力，不易溶胀；并在胶粘测试中，通过对 PVDF、GN 和 GN-BA 这几种粘结剂进行测试，发现GN-BA 交联粘结剂的性能最优。

  图丨溶胀实验：图 e)为 GN-BA 扫描图像（来源：孙睿敏老师，络绎知图整理）

  为了测试其电化学性能，他们将商业硫、碳黑和各种粘结剂简单混合制备了硫碳复合正极片，通过测试，发现 GN-BA 交联粘结剂表现出最优的性能。为了促进电池整体能量密度的提升，两位教授还探究了高载硫量下的电化学性能，发现硫载量高达 5.0mg cm-2，0.2C 下，锂硫电池的面积比容量为 5.7 mAh cm-2，高于常规的锂离子电池 (4 mAh cm-2) 。

  图丨电化学性能实验图（来源：孙睿敏老师，络绎知图整理）

  综上，麦教授和孙教授通过运用配位交联法制备了 GN-BA 交联粘结剂显著抑制了锂硫电池的穿梭效应，提升了锂硫电池循环稳定性。目前这两项研究成果还仅限于实验研究，是否可以、何时可以产业化，还需进一步验证。

  目前，我国锂硫电池的产业化发展已经有了一定的成果，2014 年，中科院大连化物所陈剑研究员带领先进二次电池研究团队，研制成功了额定容量 15 Ah 的锂硫电池，并形成了小批量制备的能力。随着当下抑制锂硫电池穿梭效应的最新研究成果陆续出现，相信锂硫电池很快能够突破技术壁垒。探寻多元化应用场景的实现，任重而道远，但商业化进程已经开始提速。

  【络绎知图研究系列】