锂离子电池一直处于储能技术的前沿。然而，锂的供应有限。因此，对储能系统日益增长的需求促使人们寻找低成本、更易获得的可充电电池材料。钠离子电池 (SIB) 是一个有希望的候选材料，因为海水和盐矿中钠 (Na) 资源几乎是无限的。
人们进行了大量研究来改进正极 (阴极)、负极 (阳极) 和电解质的材料，以提高长循环稳定性，并为 SIB 实现薄固体电解质界面 (SEI)。SEI 是在初始充电/放电循环期间在阳极表面形成的钝化层，可防止阳极因与电解质发生反应而退化。形成良好的 SEI 对电池性能至关重要。在此背景下，硬碳 (HC) 已成为一种有前途的阳极材料。然而，由于电解质消耗增加，它形成了不均匀、厚而弱的 SEI，从而降低了充电/放电稳定性和反应速度，因此其商业化一直很困难。为了解决这些问题，已经使用了羧甲基纤维素盐、聚丙烯酸衍生物和聚偏氟乙烯 (PVDF) 等粘合剂。然而，这些粘合剂会导致 Na 离子在阳极中扩散缓慢，从而导致基于 HC 的 SIB 的倍率能力较差。
为了克服这些缺点，日本高等科学技术研究院 (JAIST) 的 Noriyoshi Matsumi 教授和博士生 Amarshi Patra 使用聚富马酸 (PFA) 粘合剂开发了 HC 阳极。他们的研究成果于2024 年 5 月 10 日发表在《材料化学 A 杂志》 上。
Matsumi 教授在解释 PFA 的优势时表示：“与传统的聚丙烯酸粘合剂不同，PFA 是一种高功能密度聚合物，主链的所有碳原子上都存在羧酸。这使得 PFA 能够通过高浓度的离子跳跃位点改善 Na 离子扩散，并更牢固地粘附在电极上。此外，PFA 粘合剂具有水溶性和无毒性，其前体富马酸是一种生物基聚合物。 ”
研究人员通过水解聚富马酸酯合成了 PFA。接下来，他们将 HC、Super P 碳和 PFA 混合在水中形成水性浆料，将其涂在铜箔上并干燥一夜，以产生 HC 阳极。该阳极与作为对电极的钠金属盘和作为电解质的 1.0 M NaClO 4 一起用于构建阳极型半电池。
研究人员进行了剥离试验，以测试粘合剂对电极组件和铜集电器之间粘合性的影响。值得注意的是，强粘合性是 SIB 长寿命的必要条件。含有 PFA 粘合剂的 HC 电极的剥离力为 12.5 N，明显高于聚丙烯酸-HC 电极的剥离力(11.5 N)和 PVDF-HC 电极的剥离力(9.8 N)。
对阳极半电池进行了各种电化学和电池性能测试。在充电/放电循环测试中，阳极半电池在电流密度为 30 mAg -1和 60 mAg -1时分别显示 288 mAhg -1和 254 mAhg -1的比容量，明显优于 PVDF 和聚丙烯酸型电极。它还表现出优异的长循环稳定性，在 250 次循环后仍保留 85.4% 的容量。阳极形成了一层薄薄的 SEI 膜，没有出现裂纹或剥落，这有助于提高半电池的耐久性。此外，PFA-HC 电极的 Na 离子扩散系数为 1.9 × 10 -13 cm 2 /s，高于聚丙烯酸-HC 和 PVDF-HC 电极。
这些发现有助于开发出具有更高电化学性能的 SIB。展望未来，松美教授表示：“在这种聚合物材料中，可以通过不同的聚合物反应进行各种结构改性，从而进一步提高性能。未来，我们的目标是与公司进行联合研究，以实现其商业化应用。此外，作为一种可提高耐久性的水溶性无毒粘合剂材料，它不仅可以应用于 SIB，还可以应用于各种储能设备。”
总体而言，这种新材料可以促进基于 SIB 的低成本能源设备的更广泛使用，从而实现更加能源高效、碳中和的社会。
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