北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋/杨卢奕团队运用超快高温烧结技术发展锂电池正极材料水系粘结剂取得进展

伴随着消费电子行业的飞速发展，人类对层状钴酸锂正极材料（LiCoO₂，LCO）的能量密度和循环寿命提出了更高的要求。然而，在4.5V（vs Li⁺/Li）以上的电压下，LCO会发生严重的结构退化，造成电池容量迅速衰减。传统的聚偏二氟乙烯粘结剂（PVDF）具有良好的电化学稳定性，但是在电极制备过程中需要使用有毒溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP），同时与正极颗粒之间的相互作用较弱，不能有效地抑制界面副反应。因此需要开发一种低成本、环保且适用于高电压LCO正极的粘结剂。

羧甲基纤维素钠（CMC）作为负极材料的水系粘结剂被广泛使用，然而极少被应用于高电压正极。一系列电化学测试显示，CMC粘结剂在高电压和大电流的情况下会发生严重的分解现象，正极界面产生大量的副反应，诱发正极材料的不可逆相变和过渡金属离子溶出现象的发生。

图1 CMC-TPS粘结剂的合成示意图

针对上述问题，深圳研究生院新材料学院潘锋教授/杨卢奕副研究员团队提出了基于超快高温烧结技术的改性策略，通过快速升温和降温对CMC的分子结构进行裁剪，去掉了高电压下不稳定的羧基官能团并形成了含有大量醚键的链状结构（记作CMC-TPS），加快了循环过程中的Li⁺传输速率；同时局部的高温会导致粘结剂发生部分碳化，提高电极整体的导电性。团队还结合多维度的表征技术研究了CMC-TPS粘结剂提高LCO电化学性能的改善机理，发现通过热处理粘结剂在正极颗粒表面形成一层均匀的包覆层，有效地减轻了不可逆相变和界面副反应。此外在加热过程中粘结剂上的羧基还会和集流体上的羟基脱水缩合形成共价键，提高电极的粘附力。通过理论计算，CMC-TPS粘结剂会降低正极表面的O元素2p轨道中心能量，稳定高电压下正极的表面晶格并抑制过渡金属离子溶出，显著提高正极界面稳定性。本研究首次基于理论计算，成功设计并合成了一种多功能LCO正极水系粘结剂，该策略在石墨负极中同样适用，为高电压LCO基锂离子电池的开发提供了新的研究思路。相关研究成果以“Tailoring Sodium Carboxymethylcellulose Binders for High-Voltage LiCoO₂ via Thermal Pulse Sintering”为题，发表于国际知名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。（DOI: 10.1002/anie.202423796）

图2 CMC-TPS粘结剂改善LCO正极的作用机制

该工作在潘锋，杨卢奕和厦门大学助理教授尹祖伟的共同指导下完成，北京大学深圳研究生院新材料学院博士生陈诗名和香港城市大学理学院化学系博士生朱珩尧为文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心、广东省新能源材料设计与计算重点实验室、深圳市新能源材料基因组制备和检测重点实验室的支持。