近日，上海交通大学化学化工学院朱新远教授、金鑫副研究员团队在能源材料领域国际学术期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“An interfacial chain-entanglement-regulated PVDF-based aqueous binder for high-performance and sustainable lithium-ion battery cathodes”的研究论文。该研究针对传统聚偏二氟乙烯（PVDF）正极粘结剂依赖有机溶剂加工、界面粘附能力不足以及水性粘结剂机械强度和电化学稳定性难以兼顾等问题，提出了一种基于界面分子链缠结调控的PVDF基水性粘结剂设计策略，实现了电极界面稳定性、循环性能与绿色可回收性的协同提升，为高性能锂离子电池的绿色制造提供了新思路。
研究背景
随着新能源汽车及储能产业的快速发展，锂离子电池对高性能电极材料与绿色制造工艺的需求日益迫切。粘结剂虽然在电极中占比较低，却直接影响活性材料与集流体之间的界面结合、电极结构完整性及电池循环寿命。目前，商业化PVDF粘结剂通常依赖N-甲基吡咯烷酮（NMP）等有机溶剂加工，不仅增加了电极制造成本与环境负担，而且其界面粘附主要依赖较弱的分子间作用力，难以满足电池长期稳定运行的需求。相比之下，水性粘结剂具有绿色环保、成本较低等优势，但普遍面临机械性能不足及高电压稳定性受限等挑战。因此，开发兼具水性加工优势、高粘附性和优异电化学稳定性的PVDF基粘结剂具有重要意义。
研究内容
本研究通过在聚偏二氟乙烯-聚丙烯酸酯（PVDF-PA）界面区域构建局部分子链缠结结构，合理设计并制备了一种新型水性正极粘结剂PVDF-PA。该粘结剂以PVDF乳液为种子乳液，以甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯为溶胀单体，通过单体溶胀种子乳液聚合法制备而成，生成的聚丙烯酸酯（PA）分子链可与PVDF分子链相互贯穿、形成缠结结构。这种独特的链缠结结构赋予PVDF-PA粘结剂优异的力学性能、牢固的界面粘附能力和更高的化学稳定性。与采用传统NMP溶剂制备的PVDF基电极相比，PVDF-PA基LiFePO4（LFP）电极在循环过程中能够保持更优异的结构完整性和界面稳定性，并表现出显著改善的长循环性能和倍率性能。经过500次循环后，其容量衰减较小。值得注意的是，即使将粘结剂含量降低至1 wt%，或将PVDF-PA应用于NMP溶剂体系，该粘结剂的性能优势依然显著，进一步表明链缠结结构是改善电极性能的关键因素。此外，PVDF-PA粘结剂可实现高效的水辅助电极回收工艺，能够完整、无损伤地回收电极活性材料与铝集流体。本研究将PVDF的结构优势与链缠结拓扑增强效应相结合，证明了链缠结调控策略可作为设计高性能锂离子电池聚合物粘结剂的有效技术路径。
图1 （a）PVDF和（c）PVDF-PA粘结剂的19F NMR扩散衰减曲线；（b）PVDF和（d）PVDF-PA粘结剂的19F NMR自旋-晶格弛豫曲线；（e）链缠结对PVDF分子链动力学影响的示意图。
图2 采用NMP溶剂制备的PVDF基电极和采用水系工艺制备的PVDF-PA基电极在循环过程中的形貌演变示意图。
论文信息：
Longben Huo, Jiwei Cui, Jiayin Gao, Pei Sun, Hui Feng*, Xin Jin*, Xinyuan Zhu
An interfacial chain-entanglement-regulated PVDF-based aqueous binder for high-performance and sustainable lithium-ion battery cathodes. Journal of Materials Chemistry A, 2026, 14, 35181-35192.
论文链接：https://doi.org/10.1039/d6ta02565j
