锂离子电池被广泛应用于各种领域，但需要改进的粘合剂来提高其性能，以满足不断发展的需求。这是因为氧化硅（SiO）这种具有高容量和低成本优势的阳极材料面临着一些挑战。这些挑战包括导电性差，导致充电速度减慢，以及充电过程中的显著膨胀。因此，有效的粘合剂对于解决这些问题、确保锂离子电池系统性能的提高和耐用性的延长至关重要。
研究人员用聚（乙烯基膦酸）（PVPA）为锂离子电池中基于微氧化硅（SiO）的电极设计了一种高性能粘合剂，与传统方法相比，这种粘合剂提高了电化学性能和耐用性。资料来源：JAIST Noriyoshi Matsumi
日本先进科学技术研究所（JAIST）的 Noriyoshi Matsumi （松見紀佳）教授、博士生 Noriyuki Takamori、前高级讲师 Rajashekar Badam、Tejkiran Pindi Jayakumar 博士（前学生）以及丸善石化有限公司的研究人员最近在 2024 年 2 月 8 日的《ACS 应用能源材料》（ACS Applied Energy Materials）杂志上发表了一项研究、他们利用聚（乙烯基膦酸）（PVPA）作为微型氧化硅电极的粘合剂，实现了比传统电池更优越的性能。
PVPA 的卓越性能
据松見教授说："PVPA 粘合剂在延长高性能锂离子二次电池的寿命方面应该非常有用。特别是在电动汽车的应用中，人们对实现锂离子二次电池的长寿命有着浓厚的兴趣。PVPA 的使用将为聚丙烯酸（PAA）和聚偏氟乙烯（PVDF）等市售粘合剂提供更好的替代品"。
该研究涉及制造含有 PVPA、PAA 和 PVDF 作为粘合剂的电极，并通过电化学实验和密度泛函理论对其性能进行了评估。与传统的 PAA（2.03 N/m）相比，PVPA 对铜支持物的附着力（3.44 N/m）明显更强，从而显著提高了锂离子电池的耐用性。
与 PAA 电池相比，基于 PVPA 的电池在 200 次循环后的放电容量几乎是后者的两倍，基于 PVPA 的半电池在相同的循环次数后可达到 1300 mAhg-1SiO。与 PVDF 或 PAA 粘合剂不同的是，即使经过 200 次充放电循环，扫描电子显微镜也没有观察到集流器剥落。此外，PVPA 更强的附着力有助于稳定基于氧化硅的阳极，即使在体积显著膨胀的情况下也能防止其剥落。
合作与专利
此外，丸善石化有限公司（其研究人员也是研究的一部分）已经建立了 PVPA 的工业生产流程。JAIST 与丸善石化有限公司之间的持续合作，以及该公司提供的其他电池生产专业技术，可能会进一步加快该工艺在实际生活中的应用。JAIST 和丸善石化有限公司已在国内（日本）和国际上联合申请了该技术的专利。
"这种工业上可行的高性能粘合剂将有助于高耐用性和高能量密度电池技术的开发。这将使电动汽车在全球范围内得到更广泛的应用，而无需担心电池性能会在较长时间内下降。未来，这些材料还可应用于火车、轮船、飞机等各种电动汽车。"
总之，科学家们利用聚（乙烯基膦酸）为锂离子电池中的氧化硅阳极开发出了一种功能性粘合剂。与传统方法相比，这种低成本粘合剂提高了性能，是电动汽车及其他领域基于微型氧化硅的应用的新进展。
编译自:ScitechDaily
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