多功能三维交联粘结剂协同抑制高性能锂硫电池穿梭效应与体积膨胀

锂硫电池(Li-S)因其高理论能量密度(2600 Wh kg-1)备受关注，但多硫化锂(LiPSs)穿梭效应和硫正极体积膨胀(～80%)严重制约其应用。针对传统聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂机械稳定性差、LiPSs吸附不足等问题，研究人员开发了由水性聚氨酯(WPU)、单宁酸(TA)和细菌纤维素(BC)组成的三维交联粘结剂。该材料通过酚羟基、纳米纤维网络和弹性框架协同作用，实现了1414 mAh g-1的初始容量和9.1 mg cm-2高硫载量下的稳定循环，为高能量密度Li-S电池提供了环保解决方案。

　　

锂硫电池(Li-S)被誉为下一代储能技术的"希望之星"，其理论能量密度高达2600 Wh kg^-1，是现有锂离子电池的5-8倍。然而这个"储能巨人"却长期被三大"枷锁"禁锢：多硫化锂(LiPSs)的溶解穿梭效应导致活性物质持续流失，硫及其放电产物导电性差造成反应动力学迟缓，充放电过程中80%的体积膨胀引发电极结构崩塌。传统聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂如同"脆弱的胶水"，既无法有效锚定LiPSs，又难以缓冲体积变化，更依赖有毒有机溶剂，严重阻碍了Li-S电池的商业化进程。

四川大学的研究团队另辟蹊径，从自然界中寻找灵感，将单宁酸(TA)的强吸附特性、细菌纤维素(BC)的纳米纤维网络与水性聚氨酯(WPU)的弹性框架相结合，构建出具有三维交联结构的多功能粘结剂。这种仿生设计就像为电池打造了"智能防护网"：TA丰富的酚羟基如同"分子磁铁"牢牢捕获LiPSs；BC的纳米纤维网络形成"弹性骨架"缓冲体积变化；WPU的聚乙二醇(PEG)链段则构建了锂离子传输的"高速公路"。三者通过氢键和范德华力协同作用，实现了1+1+1>3的效应。

研究团队采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)验证材料结构，通过吸附实验和对称电池测试证实LiPSs锚定能力，结合电化学阻抗谱(EIS)分析界面传输特性。拉伸测试和剥离实验量化了粘结剂的机械强度和附着力，而原位X射线衍射(in-situ XRD)则直观展示了体积膨胀抑制效果。

化学结构与粘附性能
FTIR证实TA的酚羟基与WPU的氨基甲酸酯形成氢键交联，XRD显示BC的(110)晶面衍射峰消失，表明三维网络成功构建。粘结强度测试显示WPU-TA-BC的剥离力达21.5 N m^-1，是PVDF的3.2倍。

电化学性能
0.1C下首周放电容量达1414 mAh g^-1，硫利用率达84.2%。5C高倍率下仍保持454 mAh g^-1，极化电压仅增加0.23V。高硫载量(9.1 mg cm^-2)下循环120次容量保持率89.3%，面容量达5.7 mAh cm^-2。

机理分析
X射线光电子能谱(XPS)证实TA的酚羟基与LiPSs形成Li-O键，BC的羟基通过氢键参与吸附。原位拉曼显示S₈→Li₂S转化过电位降低0.17V，证实反应动力学提升。

这项发表于《Polymer》的研究突破了传统粘结剂的性能边界，其环保水基工艺更契合规模化生产需求。就像为Li-S电池装上了"智能减震系统"，该粘结剂不仅将循环寿命延长至250次以上，更使高硫载量下的面容量达到商用化门槛。这种"分子级工程"策略为发展高能量密度储能器件提供了普适性思路，未来或可拓展至钠硫电池、钾硫电池等体系，推动可持续能源存储技术的革新。