日研发新型材料 提升锂电池和钠电池性能

　　作为充电电池，锂电池和钠电池已成为不可或缺的产品，但它们有成本高、寿命短、性能不稳定等缺点。为解决这些问题，日本的科学家研发出一种新型聚合物基黏合剂，可大大改善电池性能。

　　尽管锂电池（LIB）一直占领充电电池领域，但它的缺点使人们不得不寻找其替代品。长期以来，人们一直试图用钠电池（SIB）替代锂电池，因为钠在自然界中含量丰富，具有成本低、较高的电化学潜力。但钠电池也有缺点，就是其稳定性不好。

　　目前人们使用便宜的碳材料，作成锂电池和钠电池的阳极。这些阳极主要靠传统的聚偏二氟乙烯（PVDF）和苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）聚合物黏合。不过，这些聚合物属于非离子导电的黏合剂，无法有效传输锂离子和钠离子，极大限制了电池的容量比、充电速度和循环寿命。

　　这次日本北陆先端科学技术大学（Japan Advanced Institute of Science and Technology, JAIST），研制出一种新型密集功能化聚离子液体（DFPIL）黏合剂。他们把含有大量水溶性聚合物PMAI（由多个氧羰基亚甲基1-烯丙基-3-甲基咪唑合成）的黏合剂与电池阳极结合后，发现可明显改善阳极使用PVDF时的不足。

　　研究人员分别在LIB电池的阳极石墨、SIB电池的阳极硬碳黏合剂中，加入新型PMAI材料，并对这些电极进行电化学、循环充放电测试，同时用横断面影像观察电极的内部变化。

　　结果显示，LIB基于PMAI的电池阳极部分在1库伦（1安培电流在1秒钟内传递的电荷量）时，表现出297mAh/g的电池容量，而LIB使用传统的PVDF材料时，其电池容量只有228mAh/g。此外，SIB电池阳极在使用PMAI之后，其电池容量比使用PVDF材料增加了近30%。

　　另外，LIB和SIB也都表现出了出色的循环稳定性。LIB在使用PMAI的情况下，经过750次循环充放电，其电池最大容量保持率约80%，但使用时PVDF材料只有72%；而SIB在经过200次循环后，其容量保持率有96%，但使用PVDF材料则只有88%。

　　这说明两者在PMAI材料影响下，表现出优异的电化学性能和高容量。性能的提升与PMAI强力附着在活性材料和铜箔上使其有稳定电化学性能有关，并缓解石墨电极在多次充放电后形成的膨胀。

　　另外，实验人员透过仪器发现，含有PMAI聚合物的黏合剂，里面的构造密集排列，形成许多利于钠和锂离子穿梭的通道，让这些离子们能够在碳、石墨层中进行良好的穿越，这能降低电阻也增强离子的电导率和电池容量比。

　　图为法国一家公司制造的航空用锂电池。(Olivier Chassignole/AFP via Getty Images)

　　这些结果足以证明，使用PMAI聚合物的LIB和SIB，具有良好的实际应用潜力，未来有望可以应用到更多的充电电池上面。

　　当被问到是什么让这种新材料与众不同时，北陆先端科学技术大学的堀木松美（Noriyoshi Matsumi）教授对该校新闻室表示，“全球对能够快速充放电的电池需求增加，因此急需要解决钠电池中钠离子扩散缓慢的问题。这种含有致密离子液体的聚合物基黏合剂，可以有效解决钠电池存在的问题。”

　　他解释，“新型聚合物（离子液体）是一类新型材料，且已针对储能设备、生化应用、感测应用、催化等应用进行了深入研究。我们所开发的新型聚合物在上述各个研究领域具有潜在的用途。”