研究人员使用一种新的高功能密度聚富马酸粘合剂改善了钠离子电池中硬碳电极的性能。

锂离子电池是一种领先的储能技术，但锂的有限可用性带来了挑战。随着对储能系统需求的增加，人们正在努力寻找价格合理且容易获得的可充电电池材料。钠离子电池（SIBs）已成为一种有前途的替代方案，利用海水和盐矿中丰富的钠资源。

为了提高SIB的长周期稳定性和实现薄固体电解质界面（SEI），人们对改进正极（阴极）、负极（阳极）和电解质的材料进行了大量的研究。SEI是在初始充放电循环期间在阳极表面形成的被动层，它可以防止阳极由于与电解质的反应而降解。

格式良好的SEI对电池性能至关重要。在这种背景下，硬碳（HC）成为一种很有前途的阳极材料。然而，由于电解质消耗增加，其形成不均匀、厚且弱的SEI，从而降低充放电稳定性和反应速度，因此商业化一直困难重重。为了解决这些问题，粘合剂如羧甲基纤维素盐、聚丙烯酸衍生物和聚偏氟乙烯（PVDF）已被使用。然而，这些结合剂导致钠离子在阳极中的扩散缓慢，导致HC基SIB的速率能力较差。

JAIST的突破

为了克服这些缺点，来自日本先进科学技术研究所（JAIST）的松上纪吉教授和博士生Amarshi Patra开发了一种使用聚富马酸（PFA）粘合剂的HC阳极。他们的研究结果发表在2024年5月10日的《材料化学杂志A》上。

松上纪吉教授解释了PFA的好处，他说：“与传统的聚丙烯酸粘合剂不同，PFA是一种高功能密度的聚合物，羧酸存在于主链的所有碳原子上。这使得PFA由于存在高浓度的离子跳跃位点而改善Na离子的扩散，并更强地粘附在电极上。此外，PFA粘合剂具有水溶性和无毒性，其前体富马酸是一种生物基聚合物。”

研究人员通过水解聚富马酸酯合成了PFA。接下来，他们将HC，超级P碳和PFA混合在水中形成水浆，将其涂在铜箔上并干燥过夜以产生HC阳极。该阳极与钠金属盘作为反电极，1.0 M NaClO—4作为电解液，构建了阳极型半电池。

研究人员进行了剥离测试，以测试粘合剂对电极组件与铜集流器之间粘附的影响。值得注意的是，SIB的长寿命需要很强的附着力。PFA -粘合剂HC电极的剥离力为12.5 N，明显高于聚丙烯酸-HC电极的剥离力11.5 N和PVDF-HC电极的剥离力9.8 N。

对阳极半电池进行了各种电化学和电池性能测试。在充放电循环测试中，阳极半电池在电流密度为30 mAg-1和60 mAg-1时的比容量分别为288 mAhg-1和254 mAhg-1，明显优于PVDF型和聚丙烯酸型电极。它还表现出优异的长周期稳定性，在250次循环后仍能保持85.4%的容量。阳极形成了薄的SEI，没有出现裂纹形成或脱落，这有助于提高半电池的耐久性。此外，PFA-HC电极的Na离子扩散系数为1.9 × 10-13 cm2/s，高于聚丙烯酸-HC和PVDF-HC电极。

未来的影响和结论

这些发现有助于开发具有更好电化学性能的SIB。展望未来，松上纪吉教授说：“在这种聚合物材料中，通过不同的聚合物反应可以进行各种结构修饰，从而进一步提高性能。未来，我们的目标是与公司进行联合研究，以实现其商业应用。此外，作为一种水溶性、无毒的粘结材料，它不仅可以应用于SIB，还可以应用于各种储能设备。”

总的来说，这种新材料可以导致基于SIB的低成本能源设备的更广泛使用，从而导致一个更节能和碳中和的社会。

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