中國儲能網(wǎng)訊：鋰離子電池的正極材料由于有著較高的電壓平臺，往往容易使與之接觸的電解液發(fā)生氧化反應，引起高壓正極的自放電現(xiàn)象，并產(chǎn)生不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)膜(Solid-electrolyte interface)，從而降低電池的容量和循環(huán)壽命。
以正極材料鋰鎳錳氧(LNMO)為例，雖然鋰鎳錳氧材料在理論容量，充放電速率，以及脫嵌鋰穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異，然而自放電問題卻使其開路電壓慢慢降低，這將限制此該材料的工業(yè)化應用。
近日，新加坡南洋理工大學陳曉東教授課題組研發(fā)了一種親水型的絲膠蛋白粘結(jié)劑，該研究發(fā)現(xiàn)，絲膠蛋白作為正極材料粘結(jié)劑時，能夠有效維持正極材料的結(jié)構穩(wěn)定和固體電解質(zhì)膜的成分穩(wěn)定，比傳統(tǒng)的粘結(jié)劑材料聚偏氟乙烯(PVDF)表現(xiàn)出更好倍率性能和容量性能，并且還同時解決了高壓正極材料的自放電問題。
絲膠蛋白作為電極材料粘結(jié)劑具有諸多優(yōu)點：首先，絲膠蛋白在5 – 0 V的電化學窗口下具有與PVDF相當?shù)碾娀瘜W穩(wěn)定性。其次，絲膠蛋白是一種水溶性蛋白質(zhì)，其所需溶劑為水，相比于傳統(tǒng)粘結(jié)劑所需溶劑甲基吡咯烷酮(NMP)對環(huán)境更加友好。
不僅如此，組成絲膠蛋白的多肽鏈含有豐富的親水基團，能夠有效與材料顆粒表面附著，從而保證電極材料的結(jié)構整體性。尤為重要的是，絲膠蛋白是提取自蠶絲的工業(yè)廢料，原料豐富，每年產(chǎn)量超過5萬噸，生產(chǎn)成本低廉且工藝簡單，可以變廢為寶，為其在大規(guī)模的工業(yè)應用提供了可能。
在以鋰鎳錳氧為正極材料的鋰離子電池測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)絲膠蛋白作為粘結(jié)劑的鋰離子電池表現(xiàn)出了比PVDF更好的電化學性能，這種優(yōu)勢會隨著充放電速率的增加而進一步擴大。在1C的充放電速率(1h)下，絲膠蛋白電極具有121.2 mAhg-1的容量，PVDF電極具有111.8 mAhg-1的容量，性能差異不大。
而當充放電速率達到5C時(10 min)，絲膠蛋白電極仍有91.8 mAhg-1的容量，作為比較，PVDF電極在該速率下的容量為28.5 mAhg-1。這也揭示了絲膠蛋白作為粘結(jié)劑時，能夠給予電極材料更好的倍率性能，該發(fā)現(xiàn)也為超快充放電的研發(fā)提供了新的啟發(fā)。研究人員同時還研究了該絲膠蛋白對高壓電極材料自放電現(xiàn)象的遏制能力。
結(jié)果顯示絲膠蛋白(10%含量)電極能夠在4.7 V的開路電壓保持近180小時，且增加絲膠蛋白的含量可大大提供其電壓穩(wěn)定時間(> 600 h)，而PVDF電極在不同含量下在4.7 V 保持約20小時后便迅速下降到3.5 V左右。該發(fā)現(xiàn)表明絲膠蛋白能夠有效遏制高壓電極材料的自放電，從而提高電池的容量和循環(huán)壽命。
為了進一步揭示這一優(yōu)異性能的背后機理，研究人員還對不同循環(huán)階段電極材料的X射線光電子能譜(XPS)進行了具體分析，XPS分析發(fā)現(xiàn)，在不同的循環(huán)階段，絲膠蛋白的固體電解質(zhì)膜層的成分，相比于PVDF電極更加穩(wěn)定。
電化學阻抗分析同時表明絲膠蛋白粘結(jié)劑的電極具有更加穩(wěn)定的材料界面，具有更小的鋰離子擴散能壘(26.1 kJ/mol)，PVDF電極的鋰離子擴散能壘為37.5 kJ/mol，這也從機理上揭示了絲膠蛋白的優(yōu)勢所在。
