Advanced Materials 最新力作：全固態電池功能粘合劑的多維突破

第一作者：毛財旺，董靜靜，李杰，翟喜民

通訊作者：宋江選

單位：西安交通大學

全固態電池 （ASSB） 因其高能量密度和增強的安全性而成為下一代儲能設備的有前途的候選者。在最先進的 ASSB體系中，粘合劑通過連接電極的每個組分，在穩定電極結構、增強載流子傳輸和調節固體電解質界面方面發揮著不可替代的作用。功能性粘合劑的開發被視為實現ASSB更高能量密度的關鍵策略。粘合劑的效果受多種因素的影響，包括粘合劑和粘附成分的化學成分及應用體系。隨著ASSB的快速發展，粘合劑的關鍵作用日益突出。總結粘結劑的最新進展對于激發功能性粘結劑未來發展的新思路至關重要。

基于此，來自西安交通大學的宋江選教授團隊在國際知名期刊Advanced Materials上發表題為“Toward Practical All-Solid-State Batteries: Current Status of Functional Binders”的綜述文章。該綜述文章重點介紹了功能粘合劑在 ASSB 中的最新應用進展，概述了液體 LIB 和 ASSB 中粘合劑的設計原則，強調了粘合劑在 ASSB 中的預期作用和功能。并對高比能ASSB 中組成進行分類，包括高性能負極、復合正極和固體電解質。詳細描述了為解決與每個電極組件相關的特定挑戰而量身定制的粘合劑策略。此外，還介紹了用于評估粘合劑性能和失效機制的基本測試和高級表征手段，為后續粘合劑作用/失效機制研究提供了關鍵信息。本文旨在為ASSBs體系中功能粘結劑的設計原則提供重要參考，激發未來對創新粘結劑的探索，進而推動高比能ASSBs的商業化發展及應用。

圖1. ASSB 和 binders 的廣泛概念。a） 鋰離子電池、半固態電池和全固態電池的配置。b） 多孔電極中材料之間理想連接狀態的示意圖。c） 關于“全固態電池和全固態電池粘結劑”的學術出版物數量。d） 已發表的電池級 ASSB 的能量密度性能。

對高安全性和高能量密度的需求一直在推動 ASSB 的發展。與液態系統一樣，粘結劑的進步也為電池能量密度的提高做出了巨大貢獻。從液體電解液到固體電解質的變化也發生在從固液到固-固接觸界面的變化中，因此對粘結劑提出了更高的應用要求。液體鋰離子電池的發展比較成熟，在對粘結劑的基本功能和設計也進行了大量研究，為LIBs建立的許多原則可以為ASSBs粘結劑的構建提供有價值的參考。對 LIB 和 ASSB 中粘合劑的異同進行全面分析對于構建新的粘合劑設計原則至關重要。現有廣泛使用的商用粘合劑已經成熟，但不能忽視它們仍然存在一定程度的問題。因此必須把握現有粘結劑的優缺點，更好地提出ASSB特殊環境下粘結劑的設計原則。

圖2. 液體 LIB 和 ASSB 中粘合劑的設計原則。對于常規 LIBs 中粘合劑的設計，主要考慮電極結構穩定性、寬電化學窗口、穩定的 SEI/CEI 界面和液態系統的適用性。對于 ASSB 的設計，提出了更高的要求，包括更嚴格的兼容性、載流子傳輸、干電極制備和經濟環保性。

圖3. ASSB 中使用的粘合劑。a） ASSB 中常用的常規粘合劑的性能比較，即 PEO、PVDF、PAN、SBR、PAA、PTFE、PMMA、CMC 和海藻酸鹽。b） ASSB 中使用的粘合劑的預期功能，包括粘附力和機械穩定性、加速動力學、界面穩定性和自修復性能。

要點二：ASSBs各個電極組件中粘結劑的應用

在高能量密度 ASSB 中，新型功能粘合劑的開發需要考慮超高載量電極 （>20 mg cm^?2)，其中包括高性能負極和復合正極。隨著質量負載的增加，對粘合劑的粘合強度和機械強度提出了更高的要求。特別是面對循環過程中電極的大量體積膨脹，例如硅負極（≈300% 和硫正極 （≈80%）。此外，SE的超薄設計也是一項重大的挑戰，無論是固體聚合物電解質 （SPE） 還是無機固態電解質 （ISE），界面相容性和機械性能都是粘結劑的關鍵因素，而對高離子電導率的要求對于超薄 SE 也至關重要。本文系統討論了ASSBs高性能負極、復合正極以及固態電解質中粘結劑的最新進展，詳細描述了為解決與每個組件相關的特定挑戰而量身定制的粘合劑策略。此分類可幫助讀者快速篩選感興趣的區域。

要點三：評估粘結劑性能的基本測試與表征方法

為了充分利用粘合劑在ASSB中的先進作用，利用一系列關鍵的表征和測試技術對粘合劑進行性能評估和機制分析至關重要。粘合劑的物理化學性質和功能設計對ASSB的性能有重大影響，需要探究其基本物理化學性質和作用機制。通過詳細的表征，可以全面了解電極的結構、性能和失效機制，為開發新的電池材料和粘合劑提供有價值的見解。

圖4. ASSB 中粘合劑的表征技術和測試方法。a） 粘合劑的基本性能測試方法，包括化學結構表征（波/能譜）和穩定性測試（機械性能和熱穩定性）。b） 電池中粘合劑的研究方法，包括動力學驗證和微觀結構分析。c） 粘合劑的先進表征技術，包括（原位）表征方法和理論計算/模擬。

要點四：前瞻

盡管 ASSB 在提高能量密度方面顯示出前景，但它們尚未達到商業化階段。作為電池組件不可或缺的一部分，粘結劑的作用和功能越來越受到關注。在過去的幾年里，已經開發和探索了許多用于 ASSB 的粘合劑，并改進了各種電極材料。然而，粘結劑對界面問題的改進機制及其失效機制仍不清楚。在未來的研究中，開發功能粘結劑將會持續影響ASSBs的綜合性能，需要通過多功能設計，人工智能和機器學習的應用，改進電極制備工藝，以及新型原位表征技術等手段深入ASSBs適配性粘結劑的研究。

圖5. ASSB 粘合劑的前景。包括探索新型多功能集成粘合劑、人工智能與機器學習的應用、電極制備工藝的改進、更加先進的原位表征技術、開發實際工況下的適配性粘結劑。

Toward Practical All-Solid-State Batteries: Current Status of Functional Binders