综述：重新定义聚合物粘合剂：在基于硫化物的全固态锂电池中实现离子传输和界面稳定性

《Energy Storage Materials》：Redefining Polymer Binders: Enabling Ion Transport and Interfacial Stability in Sulfide-Based All-Solid-State Lithium Batteries

硫化物基全固态锂电池中聚合物粘结剂的关键作用及设计策略研究。传统研究多关注粘结剂机械性能与工艺性，本文提出粘结剂作为离子传导和界面稳定的关键设计元素，需整合机械 robustness与离子功能特性，在电极/电解质薄膜层面实现连续Li+传导，并建立规模化制备方法。

　　

洪承博（Seung-Bo Hong）| 李英俊（Young-Jun Lee）| 金勋（Hun Kim）| 高敏贞（Min Chang Go）| 金云赫（Un-Hyuck Kim）| 孙阳国（Yang-Kook Sun）| 金东元（Dong-Won Kim）

大邱庆北科学技术院（Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, DGIST）能源科学与工程系，韩国大邱 42988

摘要

关于基于硫化物的全固态锂离子电池（ASSLBs）的研究主要集中在活性材料、固体电解质和导电碳等核心组件上。相比之下，尽管聚合物粘合剂对电池性能有重要影响，但受到的关注却相对较少。由于缺乏对粘合剂材料的系统理解及合理设计策略，它们在ASSLBs实际应用中的贡献尚未得到充分体现。以往的研究主要集中在粘合剂的机械强度和加工性能上，而其在离子导电性和界面稳定性方面的潜在作用尚未得到充分探索。本文跳出传统研究视角，强调了聚合物粘合剂在增强电极与固体电解质之间的界面粘附力以及维持锂离子（Li⁺）连续传导路径中的关键作用。粘合剂的设计应兼顾机械强度和离子传导性能，以促进离子传输的顺利进行。从这个角度来看，聚合物粘合剂被重新定义为不可或缺的设计要素，它们不仅提供机械支撑，还能弥补离子传输的不足并稳定内部界面。预计其在薄膜层面的战略整合将成为推动ASSLBs技术发展的决定性因素。

引言

21世纪化石燃料的加速消耗加剧了气候变化，促使全球努力转向绿色能源技术并实施更严格的温室气体排放法规[1]。作为回应，汽车行业正逐步从内燃机转向电动汽车（EV）平台以实现脱碳目标[2,3]。然而，使用液态电解质的传统锂离子电池（LIBs）在能量密度和安全性方面存在固有局限性[4,5]。这些挑战推动了下一代全固态锂离子电池（ASSLBs）的研发[6]。在各种固体电解质材料中，基于硫化物的电解质（如Li₆PS₅Cl、Li₃PS₄、Li₁₀GeP₂S₁₂）因其在室温下的高离子导电性（约10^-2 S cm^-1）、优异的机械性能和良好的加工性能而成为极具前景的候选材料[7][8][9][10]。近年来，大量研究集中在优化活性电极材料、固体电解质、导电碳和聚合物粘合剂等核心组件上，主要采用扭矩电池（torque-cell）配置在粉末层面进行评估[11][12][13][14][15]。虽然这些方法为了解单个组件的性能提供了宝贵见解，但未能充分评估其对ASSLBs实际可靠性和集成性的影响[16]。因此，研究范式正在从材料层面转向薄膜层面，重点扩展到复合电极和薄固体电解质等结构化薄膜[1]。在此阶段，聚合物粘合剂的作用变得至关重要，它们不仅维持界面粘附力，还能承受机械应力并保持锂离子传导路径的畅通，这些因素直接影响ASSLBs的电化学性能[17][18][19]。此外，还需确保聚合物粘合剂的界面稳定性，以防止与固体电解质的副反应并实现长期循环稳定性[20]。值得注意的是，近期还有研究报道了具有类似聚合物变形能力的粘弹性无机玻璃电解质，无需额外粘合剂即可保持界面接触[21]。薄膜层面的工程化成为连接材料创新与实际电池集成之间的关键桥梁[22]，为将材料层面的研究成果转化为实用电池结构提供了战略框架。特别是对于制造适用于大规模软包电池的薄膜结构而言，聚合物粘合剂不可或缺。然而，与其他关键电池组件相比，关于聚合物粘合剂的研究仍显不足。

本文旨在评估聚合物粘合剂在ASSLBs实际应用中的现状，并提出一种超越传统方法的设计策略，通过整合工艺兼容性和结构控制来实现电极与固体电解质之间的持续离子传导。讨论内容按薄膜类型组件（复合正极、不同类型的负极和固体电解质薄膜）展开，各部分通过代表性研究评估聚合物粘合剂对电池性能的影响。通过这种方法，我们旨在建立适用于ASSLBs实际开发的薄膜级粘合剂设计策略，从而重新定义研究方向并为下一代全固态电池技术奠定基础。在此过程中，我们将聚合物粘合剂重新定义为不仅提供机械支撑、还补偿离子传输限制并稳定内部界面的关键设计要素——这一点在现有文献中，尤其是在基于硫化物的ASSLBs研究中，往往被忽视。

复合正极

在ASSLBs中，正极活性材料在循环过程中会因体积变化而承受持续机械应力[23]。因此，在讨论ASSLBs中的聚合物粘合剂时，必须考虑活性材料设计的最新进展。与传统LIB正极相比，ASSLBs的正极活性材料面临独特的挑战，包括颗粒分离、与固体电解质的界面剥离以及不希望发生的界面反应[24]。

负极

ASSLBs向高能量密度发展的进步不仅依赖于正极设计的创新，还依赖于兼容且高效的负极配置的开发。具有高比容量和低氧化还原电位的活性负极材料对于最大化ASSLBs的能量密度至关重要。尽管已有大量研究聚焦于基于过渡金属氧化物的复合正极（如LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂），但最适合ASSLBs的正极结构仍需进一步探索。

固体电解质薄膜

先前关于含有聚合物粘合剂的电极的研究表明，循环稳定性和倍率性能得到了显著提升，这主要归功于优化后的离子传导路径和增强的机械稳定性。这些发现推动了固体电解质薄膜设计的范式转变，因为它们是ASSLBs中两个电极之间的关键组件。传统的固体电解质薄膜制备过程更侧重于机械性能...

大规模生产

从实际应用的角度来看，设计能够在复合电极和固体电解质薄膜的可扩展制备过程中实现组分均匀分散的聚合物粘合剂至关重要。在干法制备过程中，电极和固体电解质薄膜通常按以下顺序制造：首先将粉末组分均匀混合，确保活性材料、导电添加剂和粘合剂的均匀分布...

结论

为了加速基于硫化物的ASSLBs的商业化，本文将聚合物粘合剂的角色从被动机械组件重新定义为构建和维持离子传导结构的主动设计要素。虽然以往研究主要关注粘合剂材料的固有性质，但我们强调采用实际可行的电池级方法的重要性，该方法需同时兼顾锂离子的持续传导、机械韧性和界面稳定性...

未引用的参考文献

[105,108]

CRediT作者贡献声明

洪承博（Seung-Bo Hong）：撰写初稿、数据整理、概念构建。 李英俊（Young-Jun Lee）：撰写初稿、数据整理、概念构建。 金勋（Hun Kim）：数据验证、研究。 高敏贞（Min Chang Go）：研究、数据整理。 金云赫（Un-Hyuck Kim）：撰写、审稿与编辑、监督、概念构建。 孙阳国（Yang-Kook Sun）：撰写、审稿与编辑、监督、概念构建。 金东元（Dong-Won Kim）：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。