《Electrochimica Acta》：Multifunctional sulfate ester-containing binder with universal compatibility for zinc powder-based aqueous zinc-iodine batteries
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摘要锌粉（ZnP）负极的部署对于提升水系锌碘电池（AZIBs）的实际能量密度至关重要，而水系锌碘电池是大规模固定式储能有前景的候选技术之一。然而，与锌箔相比，锌粉负极所面临的挑战同样严峻，因为其比表面积增大，导致对水诱导副反应的敏感性增加，并且需要额外的电极制造工序。在此背景下，
摘要
锌粉（ZnP）负极的部署对于提升水系锌碘电池（AZIBs）的实际能量密度至关重要，而水系锌碘电池是大规模固定式储能有前景的候选技术之一。然而，与锌箔相比，锌粉负极所面临的挑战同样严峻，因为其比表面积增大，导致对水诱导副反应的敏感性增加，并且需要额外的电极制造工序。在此背景下，多功能粘结剂有望发挥关键作用。本工作制备了一种双组分氢键交联粘结剂（FAM），其具有适宜的粘度、良好的润湿性、优异的浆料加工性能和强粘附力，适用于水系锌碘电池。FAM粘结剂中丰富的极性基团将水分子固定在高分子基体内部，降低了水的反应活性，从而抑制与水相关的副反应。此外，引入的硫酸酯基团通过静电吸引力调控Zn2?通量，提高形核过电位，实现均匀沉积。更重要的是，FAM粘结剂还可应用于碘正极，其中的硫酸酯基团对多碘化物产生静电排斥作用，从而抑制穿梭效应。因此，基于FAM粘结剂制备的ZnP负极和碘正极的全电池在10 C倍率下循环1400次后容量保持率达到74.1%，且N/P比仅为4.5。本研究强调了粘结剂在锌粉基水系锌碘电池中的重要性，并为开发更先进的粘结剂体系提供了参考。
引言
水系锌碘电池（AZIBs）凭借其快速的固液转化反应动力学、本质安全的水系电解液以及丰富的原材料，已成为大规模储能领域极具前景的电池技术[[1], [2], [3]]。然而，水系锌碘电池的实际可行性受到持续存在的挑战的制约，具体包括负极上不均匀的锌沉积和副反应，以及正极上严重的多碘化物穿梭效应[[4], [5], [6]]。此外，另一个关键但常被忽视的指标，即锌利用率或放电深度（DOD），其值过低，严重削弱了水系锌碘电池的能量密度，尤其是当使用锌箔作为负极时尤为显著[7]。例如，通常使用厚度约100 μm、面容量约58.5 mAh cm?2的锌箔，当其与商业级别的3 mAh cm?2正极匹配时，DOD仅为约5.1%。在此背景下，锌粉（ZnP）电极因其面容量易于调控和成熟的大规模工业生产技术，成为了一种有价值的替代方案[8,9]。不可否认的是，与锌箔相比，锌粉更大的比表面积导致其与水分子的反应活性更高，从而引起更显著的析氢反应（HER）和腐蚀反应。此外，还需要额外的电极制造工序，这深刻影响着电极的整体性能[10,11]。
粘结剂在电池电极制备中发挥着关键作用，不仅通过将活性材料和导电添加剂粘附在集流体上维持电极的结构完整性，还通过适应活性材料在循环过程中的体积变化来保持电接触[12]。对于锌粉电极，粘结剂需要具备一些额外的功能，包括作为保护层抑制水相关副反应，以及作为光亮剂诱导均匀的锌沉积，这些功能已在许多用于锌箔负极的聚合物基水凝胶电解质中得到验证[13,14]。常用的粘结剂，如聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE），因其粘附力弱且具有疏水性，不适用于锌粉电极。因此，开发先进的粘结剂对于锌粉基水系锌碘电池而言势在必行且十分迫切。迄今为止，该领域已取得长足进展，一些聚合物粘结剂，如甲壳素改性[15]、羧甲基纤维素基[16]、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物[17,18]、聚乙二醇衍生物[19]等，已被报道在锌粉电极制备中具有良好效果[[20], [21], [22], [23]]。事实上，粘结剂对于水系锌碘电池的碘正极同样至关重要[24]，因为它们可以通过物理/化学吸附或对多碘化物物种的静电排斥作用来抑制多碘化物穿梭[[25], [26], [27], [28]]。例如，我们之前的工作报道了PEO粘结剂通过形成导电电荷转移复合物来减轻多碘化物穿梭并促进反应动力学[25]，而加速碘的转化有利于抑制多碘化物穿梭[29]，特别是对于那些具有高面容量的厚电极而言。此外，聚合物骨架中固定的阴离子基团为抑制多碘化物穿梭同时调控Zn2?传输提供了有效途径[[30], [31], [32]]。然而，近期的研究进展主要集中在锌箔基水系锌碘电池上，对锌粉基电池的关注很少。因此，开发一种既适用于锌粉负极又适用于碘正极的通用聚合物粘结剂，具有重要的研究意义和实用价值。
在此，本工作提出一种淡黄色的聚丙烯酰胺（PAM）-生物质褐藻糖胶（FUC）复合物作为锌粉基水系锌碘电池的多功能粘结剂（FAM）。该FAM聚合物粘结剂通过丙烯酰胺（AM）的自由基聚合，随后与FUC原位热交联合成（图1a）。FAM复合物表现出有效的浆料形成能力和强大的粘附性，这归因于其适宜的粘度和良好的润湿性，使其能够作为一种通用粘结剂，同时适用于锌粉负极和碘正极（图1b）。结构决定性能。FUC与PAM主要通过氢键网络交联，显著增强了复合物的结构韧性，使其能够适应电极在循环过程中的体积变化。高密度的极性官能团不仅提供了丰富的界面锚定位点，确保了牢固的粘附，还将水分子限制在聚合物基体内，降低水的反应活性，有效缓解水诱导的副反应。此外，FAM粘结剂中的硫酸酯基团通过静电吸引Zn2?离子促进均匀的锌沉积，从而提高形核势垒。同时，这些基团对多碘化物阴离子产生静电排斥作用，有效将其限制在正极区域，减轻穿梭效应。因此，使用FAM粘结剂制备ZnP负极和I?@AC正极的ZnP || I?@AC电池，在10 C倍率下循环1400次后容量保持率达到74.1%，且N/P比仅为4.5。本工作强调了粘结剂在锌粉基水系锌碘电池中的重要性，并为该领域的进一步研究指明了方向。
章节片段
材料与电极制备
FAM粘结剂的合成： 通常，将0.5 g（对照组为0.25 g和1 g）的AM单体和15 mg的过硫酸铵（APS）溶解在10 mL去离子水中，在磁力搅拌下形成均匀的前驱体溶液。将溶液在60 °C下连续搅拌加热3 h以引发AM聚合，得到PAM前驱体。随后，加入0.25 g的FUC并通过搅拌充分分散。混合物用氮气脱气，然后搅拌并
结果与讨论
褐藻糖胶（FUC）是一种天然硫酸化多糖，主要存在于褐藻中，其分子中含有约5%–20%的硫酸酯基团（?O?SO??）。此外，它还含有丰富的羟基（?OH）和醚键（C?O?C）。为了分析各组分在FAM粘结剂中的作用，计算了FUC和PAM的静电势（ESP）分布（图2a）。FUC通过在整个分子上显示出更分散的负电荷分布（红色区域）
结论
总之，本工作通过简单的自由基聚合和热交联方法，为锌粉负极和碘正极制备了一种双组分FAM粘结剂。FAM粘结剂表现出适宜的流变性能、良好的润湿性、优异的浆料加工性能和强粘附力。各组分丰富的极性基团赋予FAM粘结剂多种功能。FUC-PAM网络通过氢键增强，提供了适应电极所需的机械完整性
CRediT作者贡献声明
马万哲： 写作 – 初稿，可视化，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。 郭子豪： 可视化，软件，调查，数据管理。 任慧欣： 方法学，正式分析。 袁子睿： 正式分析，数据管理。 敖卓然： 验证，资源，正式分析。 马廷丽： 监督，资源。 康巧玲： 监督，资源，方法学，正式分析。 林展： 验证，监督，资源。 闫丽静：
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