近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授、张冬教授与吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室朱有亮教授在锂硫电池研究方面取得新进展，相关成果以“Small Things Make a Big Difference: Conductive Cross-Linking Sodium Alginate@MXene Binder Enables High-Volumetric-Capacity and High-Mass-Loading Li−S Battery”为题发表于《Nano Letters》。
为满足微电子、航空航天设备和电动汽车等领域对紧凑致密型储能材料的需求，开发高体积比容量的储能器件举足轻重。锂硫电池的理论容量远高于商用离子电池，是新一代储能材料的有力候选者之一。然而，硫的绝缘物理特性使得硫电极的制备需要依赖大量的导电助剂。以低密度轻质碳材料为主的无电化学活性导电助剂，不仅会大幅增加电极的无效体积，同时还会降低电极薄膜制造过程中聚合物粘合剂的粘合能力，最终限制电极的活性物质面负载和体积比容量。
针对上述问题，研究团队从电极层面的研究角度出发，通过导电交联粘结剂构建了无导电助剂高负载硫正极。研究人员利用Ti3C2Tx MXene与聚合物之间的氢键交联作用成功制备出导电交联粘结剂，其具备出色的粘附力、硬度和杨氏模量，能稳固电极结构，缓解充放电过程中的体积变化，进而实现稳定的高负载电极的制备。不仅如此，高电子导电率的粘结剂（559 S cm-1）能代替导电助剂为电极提供充足的电子传输通道，大幅减小无效体积，进而提升电极的体积比容量。利用该粘结剂制备的无导电助剂硫正极在锂硫电池中实现了17.2 mg cm-2的超高硫负载正极制备，其电极级体积比容量高达1422 mAh cm-3，面容量高达24.5 mAh cm-2。此外，研究团队还将该粘结剂设计思路用于其他电池体系的无导电助剂电极制备，证实了该策略在其他电池体系中的普适性和实际应用潜力。
文章第一作者为吉林大学物理学院博士研究生程路，吉林大学物理学院田瑞源教授为共同第一作者。通讯作者为吉林大学物理学院杜菲教授、张冬教授、吉林大学化学学院朱有亮教授。该工作得到了国家自然科学基金委等项目的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03429
