双离子导电聚合物接枝导电炭黑作为粘结剂，能够实现LiFePO4正极的快速充放电以及稳定的循环性能

《Journal of Endodontics》：Bi-ionic conducting polymer grafting conductive carbon black as binders enable fast charging/discharging and stable cycling of LiFePO 4 cathodes

锂铁磷酸（LFP）正极因电子/离子导电性差和传统PVDF粘合剂性能不足制约其应用。本研究开发水溶性多功能粘合剂LP3，通过LiPAA/PEO接枝导电乙炔黑形成三维交联结构，显著提升粘合性（Li+扩散系数达5.10×10^-8 cm2/s，是PVDF两倍）和离子传输路径（含EO单元及锂化离子omer）。优化后的LFP-LP3电极在2C倍率下容量133.0 mA·h/g，500次循环保持率89.9%；7C下仍达110.6 mA·h/g，且5.0 mg/cm2低负载量循环150次容量保持率94.1%。该策略为高容量LFP正极设计提供新思路。

　　这项研究针对锂铁磷酸盐（LFP）正极材料在锂离子电池中的性能瓶颈，提出了一个创新性的解决方案。LFP作为锂离子电池中广泛应用的正极材料，因其固有的安全性、低成本和长循环寿命而备受关注。然而，其较低的电子和离子导电性成为限制其进一步商业化的关键因素。传统上，聚偏氟乙烯（PVDF）被用作LFP正极的粘结剂，但PVDF具有绝缘性，且粘附力较弱，这在一定程度上加剧了LFP材料在高倍率充放电时的性能下降。此外，PVDF的制备过程需要使用昂贵且有毒的N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为溶剂，这不仅增加了生产成本，还对环境造成潜在危害。

为了克服上述问题，研究人员开发了一种水溶性的多功能粘结剂，该粘结剂通过将双离子导电性聚合物接枝到导电性优异的乙炔黑（AB）表面来实现。这种新型粘结剂具有三维交联结构，能够有效促进分子纠缠，同时形成畅通的锂离子传输通道。该结构不仅提升了粘结剂的粘附力，还显著增强了锂离子在电极材料中的扩散能力。具体来说，粘结剂中的乙ylene oxide（EO）单元和锂化离子omer（Li-离子omer）在电极中发挥了重要作用，为锂离子的快速迁移提供了通道。实验结果显示，使用这种新型粘结剂的LFP正极在500次循环后仍能保持89.9%的容量保持率，其在2C倍率下的容量达到133.0 mA h g?1，而在更高的7C倍率下，其容量仍能达到110.6 mA h g?1。这表明该粘结剂在提升LFP正极的倍率性能方面具有显著优势。

此外，这种粘结剂的锂离子扩散系数达到5.10 × 10?? cm2 s?1，是传统PVDF基粘结剂的两倍。这意味着在使用该粘结剂的情况下，锂离子能够在电极材料中更快速地迁移，从而显著改善电池的充放电速率。这种性能提升对于高功率需求的应用场景，如电动汽车和电网级储能系统，具有重要的实际意义。传统粘结剂在高负载电极中通常需要额外添加高导电性材料以改善电子接触，而该粘结剂的设计则避免了这一问题，因为它本身就具备良好的电子导电性。这种双离子导电性粘结剂的引入，不仅解决了LFP材料本身导电性差的问题，还减少了对高导电性添加剂的依赖，从而提升了电极材料的整体性能和稳定性。

在电极结构方面，研究人员通过引入三维交联网络，有效避免了传统粘结剂可能出现的自聚集现象。这种结构设计使得粘结剂能够更好地分散在电极材料中，从而提高其在电极中的均匀性和稳定性。这种结构对于防止电极在循环过程中出现裂纹和剥离现象至关重要，因为这些现象会严重影响电池的寿命和安全性。同时，三维交联网络还能够提供更好的机械支撑，确保电极材料在充放电过程中保持结构完整性。

在材料合成方面，研究人员采用了分步合成的方法。首先，他们制备了LiPAA/PEO（LP2）复合物，通过将聚丙烯酸（PAA）与锂氢氧化物（LiOH·H?O）在去离子水中混合并加热搅拌，得到了部分中和的LiPAA溶液。随后，将不同质量比例的LiPAA和PEO混合，并在60℃下继续加热搅拌6小时，最终获得了LP2。为了进一步增强粘结剂的导电性和结构稳定性，研究人员在乙炔黑表面引入了聚多巴胺（PDA）涂层，从而制备出最终的LP3粘结剂。这种多巴胺涂层不仅赋予了乙炔黑良好的水溶性，还增强了其表面的化学活性，使其能够更好地与LiPAA和PEO结合，形成稳定的三维交联结构。

实验结果表明，使用LP3粘结剂的LFP正极在500次循环后仍能保持较高的容量保持率，同时在高倍率下展现出优异的性能。这不仅验证了该粘结剂在提升LFP正极性能方面的有效性，也表明其在实际应用中具有广阔的前景。研究人员还通过对比实验发现，即使在5.0 mg cm?2的高负载情况下，使用LP3粘结剂的LFP正极在0.5C倍率下仍能保持157 mA h g?1的放电容量和94.1%的容量保持率。这一结果充分说明了该粘结剂在高负载电极中的适应性和稳定性。

除了性能提升，该研究还强调了粘结剂在电池设计中的重要性。传统的粘结剂往往被视为电极结构中的辅助材料，而忽略了其在电化学性能中的关键作用。通过引入具有离子和电子导电性的粘结剂，研究人员成功地将粘结剂从“被动”角色转变为“主动”角色，使其能够同时改善电极的结构稳定性和电化学性能。这种设计理念为未来高性能LFP正极的开发提供了新的思路，也为其他类型的电极材料优化粘结剂性能提供了参考。

此外，该研究还探讨了粘结剂在不同应用场景下的适用性。例如，在电动汽车和储能系统中，电池需要具备高能量密度和长循环寿命，而LFP正极因其安全性、成本效益和循环稳定性被认为是理想的选择。然而，由于其导电性差，LFP正极在高功率密度应用中表现不佳。通过引入这种新型粘结剂，研究人员成功地提升了LFP正极的导电性，使其能够在高倍率下保持良好的性能。这不仅有助于提高电池的整体性能，还可能降低电池的制造成本，从而推动其在更多领域的应用。

从环境和经济角度来看，这种水溶性粘结剂的使用也具有重要意义。传统PVDF粘结剂需要使用NMP作为溶剂，而NMP不仅价格昂贵，还对人体健康和环境造成潜在危害。相比之下，水溶性粘结剂的制备过程更加环保，减少了对有害溶剂的依赖。这种绿色制备方法符合当前可持续发展的趋势，有助于推动锂离子电池产业向更加环保和经济的方向发展。

综上所述，这项研究通过开发一种新型的多功能粘结剂，成功地解决了LFP正极材料在锂离子电池中的性能瓶颈。该粘结剂不仅提升了LFP正极的离子和电子导电性，还增强了其结构稳定性和循环寿命。这种设计策略为未来高性能LFP正极的开发提供了新的思路，同时也为其他类型的电极材料优化粘结剂性能提供了参考。通过这种创新性的粘结剂设计，研究人员为实现下一代锂离子电池的高性能、高稳定性和可持续性做出了重要贡献。