通过电荷工程改造的纤维素纳米纤维粘合剂，用于制备无PFAS（全氟和多氟烷基物质）的高容量锂离子电池正极

《Nature Communications》：Charge-engineered cellulose nanofibril binders for PFAS-free, high-loading lithium battery positive electrodes

　　

摘要

随着对可持续高能量锂离子电池需求的增加，人们越来越关注当前电池组件中使用的全氟和多氟烷基物质对环境和健康的影响。特别是聚偏二氟乙烯（PVDF），作为一种主要的电极粘合剂，它依赖于含氟化学物质和有毒溶剂（如N-甲基-2-吡咯烷酮），并且在高负载条件下结构完整性较差。在这里，我们展示了一种基于天然木材提取的电荷工程化纤维素纳米纤维的粘合剂，这种粘合剂不含PFAS（全氟和多氟烷基物质）和N-甲基-2-吡咯烷酮，为PVDF提供了一种可再生和可持续的替代品。这种电荷工程化纤维素纳米纤维粘合剂利用其阳离子官能团，通过静电排斥作用促进浆料中颗粒的分散，并在干燥后与电极成分形成强氢键，从而增强结构完整性。此外，其纳米纤维结构形成了坚固且相互连接的网络，有助于电解质的渗透和离子传输。当应用于LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正极时，该粘合剂可以实现113 mg cm^?2的质量负载和3.65 g cm^?3的电极密度，从而在0.05 C电流下获得22.5 mAh cm^?2的面积容量和1781.5 Wh L^?1的体积能量密度（相当于1.13 mA cm^?2），显示出与传统合成聚合物粘合剂基电极相比具有竞争力的电池性能。此外，这种电荷工程化纤维素纳米纤维粘合剂使得无需使用N-甲基-2-吡咯烷酮即可制备浆料，从而减少了电极制造过程中的环境足迹。