PVDF复合粘结剂技术助力锌空电池稳定性显著提升

引言

在新能源领域，电池技术的不断进步一直是推动清洁能源广泛应用和发展的核心驱动力。锌空电池作为一种新兴的能源电池技术，因其高能量密度、低廉的成本以及卓越的安全性能而受到广泛关注。尽管如此，锌空电池在实际应用过程中面临一个重大难题：长时间的充放电循环会导致电池性能显著下降。为了解决这一问题，科学家们开始探索如何通过改进粘结剂来增强电池的稳定性。今天，我们将深入探讨一项关于PVDF复合粘结剂的研究，揭示其如何显著提升锌空电池的电化学稳定性。

锌空电池是一种利用金属锌作为负极材料、空气中的氧气作为正极反应物的电池技术。它的理论能量密度远超锂离子电池，达到其五倍以上，同时具备成本低廉和安全性高的特点，因此在电动汽车、储能系统等众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，锌空电池在阴极氧还原反应过程中反应速度较慢，这限制了电池的转换效率，影响了其实际应用效果。此外，长时间的充放电循环会导致催化层材料脱落，进一步降低了电池的长期性能表现。

粘结剂：电池性能的关键因素

在锌空电池中，粘结剂扮演着至关重要的角色。它不仅能够固定催化剂，还能传导质子，从而直接影响电池的整体性能。目前，市场上常见的粘结剂主要有两种：Nafion和PVDF。在锌空电池中，Nafion 作为主流的粘结剂，能够在催化层内形成一个连续的网络，顺利传送质子，显著提升电极性能。然而，Nafion 存在低湿度适应性差、高制造成本等缺点，且其亲水性较高，长期处于水性体系电池中极易发生水淹，从而限制催化剂活性的发挥，导致催化层变形脱落，这些问题对锌空电池的稳定性产生重要影响。相比之下，聚偏二氟乙烯（PVDF）作为第一代电池粘结剂，具有稳定的化学结构和良好的机械性能，在众多商业化电池领域均发挥了良好的粘结作用。然而，PVDF 粘结剂的导电能力较差，且随着电池循环次数的增加，极片的电子传导性能和离子传导性能均会逐渐降低，这大大限制了 PVDF 作为电池粘结剂的发展。在前期研究中，尝试将聚四氟乙烯（PTFE）与 Nafion 复合，以提升粘结剂性能，取得了一定的效果。为了进一步探究复合粘结剂对非贵金属催化剂组装锌空电池的运行稳定性影响机制，采用自制的 Fe-MOF 衍生碳材料作为电池催化剂，将稳定的 PVDF 与高质子传导性的 Nafion 材料复合作为粘结剂，通过优化粘结剂的浓度及组成，改善催化层的微观结构，探究非贵金属催化层稳定性提升机制。

PVDF复合粘结剂的制备过程

研究人员通过精心调整Nafion和PVDF的比例，成功制备出一种名为10%PVN的复合粘结剂。具体制备步骤如下：

1. 将PVDF粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，形成10%的PVDF乳液。

2. 将Nafion溶液与PVDF乳液按照特定比例混合，搅拌均匀，最终得到10%PVN复合粘结剂。

这种复合粘结剂融合了Nafion的高质子传导性和PVDF的化学稳定性，为锌空电池的长期稳定运行提供了更为坚实的保障。

实验结果：复合粘结剂的显著效果

为了验证复合粘结剂的实际效果，研究人员组装了使用Fe-MOF衍生碳催化剂和10%PVN复合粘结剂的锌空电池，并进行了长达170小时的充放电循环测试。

1. 催化层微观形貌分析

通过使用扫描电子显微镜（SEM）进行观察，研究人员发现：

- 使用Nafion粘结剂的电池在经过循环测试后，催化层出现了明显的脱落和团聚现象。

- 而使用10%PVN复合粘结剂的电池，催化层结构保持完整，催化剂颗粒分布均匀，几乎没有发生团聚。

图1电极催化层表面SEM图

2. 电池性能对比

初始性能：使用10%PVN复合粘结剂的电池，其峰功率密度达到了106.2 mW/cm²，与使用纯Nafion粘结剂的电池性能（125.9 mW/cm²）相差不大。

图2 充放电循环前后电池性能曲线

由图 2(a) 和图 2(d) 可见，经过 170 小时充放电循环后，FeMOF-N 电池和 FeMOF-10%PVN 电池的开路电压均有所下降。图 2(b) 显示，相较于循环前的 FeMOF-N 电池充放电曲线，在相同电流密度下，循环后的 FeMOF-N 电池充放电电压间隙显著增大。从图 2(c) 可知，FeMOF-N 电池的峰功率密度大幅下降，降幅达 93.2 mW/cm²。相比之下，FeMOF-10%PVN 电池在 170 小时充放电循环前后的充放电电压区间变化较小，如图 2(e) 所示。此外，循环测试后 FeMOF-10%PVN 电池的性能衰减并不显著，如图2(f) 所示，其放电峰功率密度仅减少 8.1 mW/cm²。循环前后电池的电化学性能指标详见表 1。经计算，循环后 FeMOF-10%PVN 电池的峰功率密度衰减率为 7.6%，不足 FeMOF-N 电池衰减率（74.0%）的九分之一。电池稳定性测试进一步证实，相较于 FeMOF-N 电池，FeMOF-10%PVN 电池展现出更卓越的循环稳定性。这得益于复合粘结剂中 PVDF 的优异耐腐蚀性和化学稳定性，有效抵御了电解液对催化层的冲刷和侵蚀。此外，PVDF 与 Nafion 复合构建的粘结网络实现了亲疏水的合理平衡，为质子和氧气在空气阴极上的传递提供了稳定且高效的路径。

长期稳定性：经过170小时的充放电循环后，10%PVN电池的峰功率密度衰减率仅为7.6%，而使用Nafion粘结剂的电池衰减率高达74.0%。

这些实验结果表明，10%PVN复合粘结剂不仅能够保持电池的初始性能，还能显著提升电池的长期运行稳定性。

结论

本文阐述了通过精心调整Nafion和PVDF的比例，科学家们成功制备出了一种含有10%PVN的复合粘结剂。这种新型粘结剂在锌空气电池的应用中表现出了显著的性能提升，特别是在提高电池长期稳定性方面。通过使用这种复合粘结剂，研究人员观察到它有效地抑制了催化层的脱落和团聚现象，这对于保持电池的性能至关重要。此外，复合粘结剂还成功地保持了催化剂颗粒的原有结构和形貌，这不仅有助于维持电池的高效率，还显著延长了电池的使用寿命。

展望未来，随着对这种复合粘结剂的进一步深入研究和持续优化，锌空气电池技术有望在新能源领域扮演更加重要的角色。随着技术的成熟和应用的拓展，锌空气电池有可能为电动汽车提供更加稳定和高效的能源解决方案，同时也能在储能系统等领域发挥关键作用，为推动可持续能源的发展做出重要贡献。

参考文献

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