基于间位芳纶树脂功能粘结剂的双极型水系质子电池研究及其高功率密度应用

针对锂资源可持续供应受限问题，本研究创新性地采用间位芳纶树脂(meta-aramid)作为非水溶性粘结剂，开发了双极型(bipolar-type)水系质子电池。通过浆料涂覆法制备Ni(OH)2/La0.5Nd0.5Ni5复合电极，实现了>3V的高电压输出和170次循环稳定性，为高功率密度储能系统提供了新思路。

　　

随着全球对锂离子电池(LIBs)需求的激增，锂资源的可持续供应问题日益凸显。与此同时，传统镍氢电池(Ni-MH)作为质子电池的代表，却因工作电压低导致能量密度受限。在这个背景下，日本的研究团队在《Materials Today Energy》发表了一项突破性研究，通过创新材料与结构设计，为下一代储能技术开辟了新路径。

研究团队采用间位芳纶树脂(meta-aramid)作为功能性粘结剂，这种材料兼具芳香环的疏水性和酰胺键的极性，既能抵抗碱性电解液的侵蚀，又能保证电极材料的均匀分散。通过浆料涂覆法将Ni(OH)₂和La_0.5Nd_0.5Ni₅分别制成正负极，并创新性地采用双极型(bipolar-type)结构设计，使电子通过集流体直接传输，大幅降低了界面电阻。

关键技术包括：1) 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析粘结剂化学结构；2) 扫描电子显微镜(SEM)结合能谱(EDS)表征电极形貌；3) 三电极体系循环伏安法(CV)测试；4) 电化学阻抗谱(EIS)分析界面特性；5) 3D形貌仪观察电极循环前后变化。

Physicochemical characterization
研究发现，间位芳纶树脂溶液能稳定分散乙炔黑(AB)，48小时后仍保持均匀。SEM-EDS显示其电极中Ni(OH)₂与碳分布均匀，而传统聚乙烯醇(PVA)电极出现活性物质沉降。耐水性测试中，芳纶电极在超声处理30分钟后仍保持完整，PVA电极则完全溶解。

Electrochemical analysis
CV测试显示芳纶电极具有更高的电流响应。恒流充放电表明，芳纶电极仅需少量循环激活，而PVA电极需更长时间。在580 mA g^-1电流密度下，芳纶电极稳定循环170次，PVA电极80次后即失效。厚电极(15 mg cm^-2)测试证实，得益于KOH电解液的高离子电导率(400 mS cm^-1)，质子电池在高面容量下仍保持优异倍率性能。

Post-cycling morphological analysis
循环后SEM显示，PVA电极表面出现44μm裂纹，芳纶电极仅15μm变化。EIS证实芳纶电极电荷转移电阻(R_ct)显著低于PVA电极，说明其界面稳定性更优。

Bipolar-type cells application
三组双极型电池串联实现3.5V工作电压，成功点亮3V LED。相比单极结构，该设计减少外部连接件，使体积能量密度提升300%。

这项研究通过分子工程和结构创新，解决了传统水系电池的两大瓶颈：1) 开发出兼具水浸润性和不溶性的芳纶粘结剂；2) 利用双极型设计突破单电池电压限制。特别是提出的"疏水-极性平衡"设计原则，为其他水系电池粘结剂开发提供了范式。研究证实质子作为电荷载体的独特优势——在厚电极中仍保持快速传输，这为开发高功率密度储能系统奠定了科学基础。未来通过优化电极/电解液界面，有望实现更高电压窗口的水系电池体系。