西南科技大学《自然·通讯》：γ射线辐照交联聚丙烯酰胺，实现高性能软包锂硫电池！

随着化石燃料逐渐枯竭与环境挑战加剧，人类对可再生能源存储系统提出更高要求。锂硫电池作为下一代高能二次电池，虽具备2600 Wh/kg的理论比能量和硫原料环保低成本优势，但其正极粘结剂面临严峻挑战。商业线性粘结剂存在网络无序、结合效率低、机械强度不足等问题；传统交联粘结剂需化学添加剂，且液相聚合的随机性导致网络结构不可控。更关键的是，网状粘结剂稳定电极的机制尚不明确，亟需在工况条件下深入研究。

西南科技大学宋英泽教授、宋丽贤副研究员和中国工程物理研究院核物理与化学研究所陈洪兵研究员、重庆大学尹国路研究员合作提出一种固态原位γ射线辐照化学方法，成功制备出纯净有序的聚丙烯酰胺（PAM）交联网络粘结剂。该技术通过高能γ射线引发自由基反应，在无添加剂条件下实现单体原位聚合。结合光纤传感、同步辐射多尺度表征与虚拟模拟，首次揭示粘结剂动态限域硫演化的机制。基于此设计的含5 wt%粘结剂的正极，使软包锂硫电池在1.2Ah容量下实现410.1 Wh/kg的比能量，电解液/硫比低至3.0 μL mg⁻¹。

机理设计与结构优势

图1揭示了γ射线辐照调控I-PAM粘结剂的设计原理：通过优化辐照剂量（3.0 kGy）可构建完整三维网络（图1a）；辐照触发水分子产生自由基引发丙烯酰胺单体聚合，经链增长与双分子终止形成共价交联网络（图1b）。相比传统添加剂交联的C-PAM（结构随机）和商业LA133线性粘结剂（二维无序），I-PAM展现均匀可控的三维网络，且无化学残留（图1c）。

图1 | I-PAM粘结剂在正极中的设计示意图 a) 通过γ射线辐照剂量调控原位制备I-PAM基硫电极：剂量不足导致交联不完全，适宜剂量形成完整网络，过量剂量引发网络降解。 b) I-PAM交联机理：γ射线触发水分子产生自由基（·H/·OH），引发丙烯酰胺聚合，经链终止形成共价交联网络。 c) I-PAM、C-PAM与商业LA133粘结剂的结构功能对比：I-PAM具均匀三维网络且无添加剂；C-PAM含添加剂且网络随机；LA133为二维线性结构。

机械性能与体积控制

图2通过多维度实验验证I-PAM的卓越机械性能：FT-IR光谱证实γ射线辐照成功实现PAM交联（图2a）；180°剥离测试显示I-PAM正极剥离力达5.85N（C-PAM为3.53N，LA133仅0.13N）（图2b）；纳米压痕测试表明其弹性模量（2.6 GPa）远超对照组（图2c）。植入式光纤传感技术（图2d）实时监测发现，I-PAM正极在充放电过程中的体积应变最小（图2e-g），循环100次后膨胀率仅3.2%（图2h），显著优于C-PAM（8.8%）和LA133（21.0%）。

图2 | 粘结剂及对应硫电极的机械行为分析 a) 丙烯酰胺单体（AM）、I-PAM与C-PAM的FT-IR光谱。 b) I-PAM、C-PAM与LA133基正极的180°剥离力。 c) 基于不同粘结剂的正极纳米压痕载荷-深度曲线。 d) 植入式光纤测试示意图及软包电池结构。 e-g) 含I-PAM(e)、C-PAM(f)、LA133(g)粘结剂的硫电极充放电曲线与内部应变曲线（硫载量3.5–3.6 mg cm⁻²）。 h) 不同粘结剂硫电极循环100次前后的截面SEM图（循环前为满充态）。

硫分布与动态重构机制

图3的同步辐射三维纳米CT显示：I-PAM形成均匀互穿网络，稳定固定硫颗粒（图3b）；而LA133存在局部团聚，C-PAM因先合成后混合导致硫分散度不足。图4的小角X射线散射（SAXS）进一步发现，循环后I-PAM基正极的旋转半径（Rg=18.79 nm）最小，证明其网络可动态引导硫再生与重构（图4e-h）。虚拟模拟（图5a-c）揭示I-PAM应力分布最均匀，表面平均应变（0.16）仅为C-PAM（0.36）和LA133（0.64）的44%和25%。

图3 | 硫电极中粘结剂网络的同步辐射X射线三维纳米CT分析 a) 同步辐射三维纳米CT设备及成像流程示意图。 b) 不同粘结剂基硫电极材料的多角度三维CT图像。

图4 | 循环前后硫与导电炭分布的同步辐射SAXS分析 a) SAXS检测与分析流程图。 b-d) 循环前含I-PAM(b)、C-PAM(c)、LA133(d)硫电极的I(q)-q拟合曲线（插图为散射信号矩阵）。 e-g) 循环后对应样品的I(q)-q曲线。 h) 不同粘结剂硫电极在循环前后硫/炭分布机制示意图。

图5 | 虚拟模拟揭示充放电过程硫电极应力应变演化 a) 不同粘结剂在电池反应中的应力（蓝色越深应力越高）与应变（红色越深应变越大）分布图。 b-c) 放电平均体积应变(b)与充电平均孔隙(c)。 d-f) I-PAM(d)、C-PAM(e)、LA133(f)抑制电极膨胀机制图（球体代表硫/炭复合材料）。 g) 不同粘结剂硫电极循环100次前后的SEM表面形貌。

电化学性能与应用验证

图6展示软包电池性能：I-PAM正极在0.2C倍率下循环100次容量保持率达86.2%（图6a），低电压平台延长证实硫利用率提升（图6b）；2C倍率下仍提供726.9 mAh/g容量（图6c）。苛刻条件下（6.4 mg/cm²高硫载、90°弯曲、278-328K温度范围），电池均保持稳定运行（图6e-g）。组装的1.0g硫载量Ah级软包电池实现410.1 Wh/kg的比能量（图6j），并成功驱动电动玩具车行驶1公里（图6i）。

图6 | 软包锂硫电池电化学性能 a) 0.2C倍率循环性能。 b) 0.2C典型充放电曲线。 c) 倍率性能。 d) 1C倍率长循环。 e) 6.4 mg cm⁻²高硫载电池在0.1C下的循环稳定性。 f-g) 90°弯曲状态下电池循环性能(f)与充放电曲线(g)。 h) 0.21Ah电池循环性能。 i) I-PAM基0.21Ah电池驱动电动玩具车实物图。 j-k) 1.0g硫载量电池的放电曲线(j)与循环性能(k)。

产业化前景

该研究通过γ射线辐照技术解决了传统粘结剂网络不可控、含添加剂的缺陷，仅用5 wt%的I-PAM即实现电极应力调控与硫动态重构。软包电池在高低温、弯曲、高硫载等严苛条件下的优异表现，以及410 Wh/kg的实测比能量，为锂硫电池产业化提供了关键技术路径。

来源：高分子科学前沿

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