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如果你的手機(jī)使用超過1年時間，那么你可能會發(fā)現(xiàn)“電池越來越不經(jīng)用了”。這主要是因?yàn)殇囯x子電池的退化導(dǎo)致的，這大大限制了便攜式電子設(shè)備的使用壽命，間接造成了巨大的污染和經(jīng)濟(jì)損失?？紤]到這些問題的嚴(yán)重性，研究人員一直在積極尋求改善鋰電池的先進(jìn)方法。
鋰離子電池容量隨時間下降的主要原因之一是廣泛使用的石墨陽極的退化，也就是電池的負(fù)極。陽極與陰極和電解質(zhì)(或在兩個終端之間攜帶電荷的介質(zhì))一起，為電池的充電和放電提供了一個可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境。然而，石墨需要一種粘合劑，以防止它隨著使用而散開。今天最廣泛采用的粘合劑，聚偏二氟乙烯(PVDF)，有一系列的缺點(diǎn)，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一種理想的材料。
為了解決這些問題，日本高級科學(xué)技術(shù)研究所(JAIST)的一個研究小組正在研究一種由雙-亞氨基-苊醌-對苯二酚(BP)共聚物制成的新型粘合劑。
他們的最新研究發(fā)表在ACS應(yīng)用能源材料上，由Noriyoshi Matsumi教授領(lǐng)導(dǎo)，Tatsuo Kaneko教授、高級講師Rajashekar Badam、博士生Agman Gupta和前博士后研究員Aniruddha Nag也參與其中。
那么相比較傳統(tǒng)的PVDF粘合劑，BP共聚物都在哪些方面存在優(yōu)勢呢？首先，BP粘合劑提供了明顯更好的機(jī)械穩(wěn)定性和對陽極的附著力。這部分來自于雙亞氨基苊基和石墨之間的所謂π-π相互作用，也來自于共聚物的配體對電池的銅集電體的良好附著力。
其次，BP共聚物不僅比PVDF的導(dǎo)電性能好得多，而且還能形成一個更薄的導(dǎo)電固體電解質(zhì)界面，電阻更小。第三，BP共聚物不容易與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這也大大防止了它的降解。所有這些優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來導(dǎo)致了一些嚴(yán)重的性能改進(jìn)，研究人員通過實(shí)驗(yàn)測量證明了這一點(diǎn)。
Matsumi 教授表示：“使用PVDF作為粘結(jié)劑的半電池在大約500次充放電循環(huán)后只顯示出65%的原始容量，而使用BP共聚物作為粘結(jié)劑的半電池在超過1700次這樣的循環(huán)后顯示出95%的容量保持?；贐P共聚物的半電池還顯示出非常高和穩(wěn)定的庫侖效率，這是一種比較在特定循環(huán)中流入和流出電池的電量的措施；這也表明了電池的長期耐久性。循環(huán)前后用掃描電子顯微鏡拍攝的粘合劑圖像顯示，只有微小的裂紋在BP共聚物上形成，而PVDF在不到總循環(huán)次數(shù)的三分之一時已經(jīng)在形成大的裂紋”。
這項(xiàng)研究的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為開發(fā)持久的鋰離子電池鋪平道路。反過來，這可能會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響，正如Matsumi教授解釋的那樣。他表示：“實(shí)現(xiàn)耐用電池將有助于開發(fā)更可靠的長期使用的產(chǎn)品。這將鼓勵消費(fèi)者購買更昂貴的基于電池的資產(chǎn)，如電動汽車，這將會使用很多年”。
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