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西南科技大學宋英澤教授團隊 Nat. Commun.：γ射線輻照聚丙烯酰胺助力高性能鋰硫軟包電池的構建

2025-07-25 10:58:28 作者：本網發布來源：高分子科技分享至：

粘結劑作為鋰硫電池正的關鍵組分，其性能表現對硫正極的結構穩定性和電化學性能具有決定性影響。當前商業化應用的線性粘結劑普遍存在分子結構無序性強、界面粘結能力不足的缺陷，使得其綜合力學性能難以滿足高能量密度鋰硫電池的實際應用需求。為克服傳統線性粘結劑的性能瓶頸，三維交聯網絡粘結劑的開發與應用展現出顯著的技術優勢。然而，傳統交聯型粘結劑的合成過程通常需要使用多種化學助劑，這不僅影響最終產物的純度，也限制了其在電池體系中的進一步應用；此外，液相聚合過程具有一定的隨機性，導致聚合物粘結劑的網絡結構難以精確調控。因此，突破傳統合成工藝的限制，構建具有均勻、可控且相對純凈網絡結構的聚合物粘結劑材料，已成為當前粘結劑材料設計與開發領域亟待解決的關鍵科學問題。

近期，西南科技大學環境友好能源材料國家重點實驗室宋英澤團隊與中國工程物理研究院核物理與化學研究所陳洪兵團隊、重慶大學尹國路團隊深度合作，聚焦先進鋰硫電池聚合物粘結劑材料的設計與開發，立足“核科學與關鍵利用技術”，開發了一種通用的γ射線輻照原位合成三維交聯型聚丙烯酰胺（I-PAM）粘結體系的先進合成方法，突破了傳統合成手段在粘結網絡結構可控性、均勻性和純凈度方面的限制，成功實現了硫正極粘結劑的原位構建。該方法無需添加任何化學助劑，僅通過高能γ射線輻照即可引發丙烯酰胺單體的自由基聚合與交聯反應；同時，通過精確調控γ射線的輻照劑量即可實現對粘結劑網絡結構的精準可控合成。先分散后原位聚合與交聯的方式，進一步確保了粘結劑網絡結構的均勻性（圖1）。

圖1 硫正極中原位構建I-PAM粘結劑體系示意圖

基于γ射線輻照聚丙烯酰胺粘結劑網絡結構的優越性，硫正極中原位構建的粘結網絡展現出優異的粘結性能與顯著提升的機械穩定性。借助原位OFDR技術，系統地考察了軟包電池在實際運行條件下硫正極的體積變化行為。結果表明，γ射線輻照制備的聚丙烯酰胺粘結劑能夠有效抑制硫正極的體積膨脹（圖2）。同步輻射X射線3D nano-CT、同步輻射SAXS表征技術聯用，從不同尺度范圍系統研究了軟包電池服役過程中硫正極內部導電材料及硫物種的分散狀態。研究發現，在硫正極內部原位構建的均勻且可控的γ射線輻照聚丙烯酰胺粘結網絡，能夠有效調控電池服役過程中硫的再生與再分布（圖3和4）。虛擬仿真實驗模擬了鋰硫反應過程中硫正極內部應力與應變的演化行為。結果證實，由于I-PAM形成了均勻且穩固的粘結網絡結構，硫正極表現出更強的應力擴散能力，顯著減少了局部應力集中現象的發生，這在電池循環過程中有助于維持硫正極的結構完整性（圖5）。

圖2 不同類型粘結劑及其應用于硫正極的機械性能分析

圖3硫正極結構的同步輻射X射線3D nano-CT分析

圖4 電池充放電前后硫正極電極結構的同步輻射SAXS分析

圖5 基于不同粘結劑的硫正極內充放電過程中應力和應變的虛擬仿真分析

γ射線輻照原位構建的高強度聚丙烯酰胺粘結網絡通過機械強化、優化硫的再生以及再分布來提升電池性能。因此，將其應用于鋰硫軟包電池體系，在粘結劑用量僅5.0 wt.%時，仍然可顯著提升鋰硫電池在嚴苛條件下的高循環穩定性和能量密度。值得注意的是，即使在貧電解液用量（E/S = 3.0 μL mg^–1）條件下, 1.2-Ah的軟包電池仍能實現高達410.1 Wh kg^–1的能量密度，進一步驗證了γ射線輻照技術原位構建高強度硫正極在實際應用中的潛力（圖6）。

圖6 鋰硫軟包電池的電化學性能分析

該工作不僅突破了傳統粘結劑合成方法的局限性，還創新性的發展了基于同步輻射X射線3D Nano-CT、SAXS、OFDR等多種技術聯用的先進表征方法，克服了傳統粘結劑分析手段的限制，實現了對粘結劑網絡結構在硫正極中作用機制的多層次、全方位解析。研究成果以“γ-Ray irradiated polyacrylamide networks enable high-performance Li||S pouch cells”為題發表在《Nature Communications》上（Nature Communications, 2025, 16, 6729）。西南科技大學2021級博士研究生鄒志娟和中國工程物理研究院電子工程研究所劉鵬飛博士為論文的共同第一作者。