硫化物全固态电池被公认为下一代锂离子电池的终极技术方向。它兼具接近液态电解质的离子电导率和本征安全性，有望彻底解决传统锂电池的能量密度和安全瓶颈。然而，硫化物全固态电池的规模化量产始终面临重大挑战，其中湿法工艺的粘结剂适配问题是制约其产业化的核心瓶颈之一。

近日，中国科学院团队在国际顶级期刊（Angew.Chem.Int.Ed. 2026, e9777405）发表研究成果，开发出一种基于动态氢键网络的新型粘结剂PNO，成功解决了硫化物全固态电池湿法工艺的多项关键难题，为其产业化落地奠定了坚实基础。

一. 传统粘结剂的固有缺陷

目前常用的低极性橡胶粘结剂包括丁腈橡胶、硅橡胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等。这类粘结剂的分子结构以软段为主，极性基团密度低，能够在非极性溶剂中良好溶解。但它们存在三个致命缺陷。

首先，粘结剂分子链间以及粘结剂与电解质、电极颗粒间的相互作用极弱，导致粘结力不足。其次，传统橡胶粘结剂无法有效耗散加工和循环过程中产生的局部应力。在浆料干燥、电极辊压以及电池充放电过程中，毛细管压力、压实压力和电极体积变化会产生大量局部应力。传统粘结剂在应力作用下会发生不可逆的链滑移和蠕变，导致粘结剂网络破坏。最后，应力集中会引发颗粒脱粘、界面开裂和微缺陷形成，最终导致电解质膜和电极结构破坏，电池阻抗快速增长，容量急剧衰减。

这些缺陷使得传统粘结剂无法制备薄型电解质膜和高负载正极，严重限制了硫化物全固态电池的能量密度和循环寿命。使用传统粘结剂制备的电解质膜厚度通常超过50μm，正极负载量难以超过20mg/cm²，无法满足实用化电池的能量密度要求。同时，电池在循环过程中会出现快速的容量衰减，循环寿命普遍不足300次。

二. 新型粘结剂设计

图1局部应力作用下传统粘结剂与PNO粘结剂复合正极的结构演变示意图

为解决传统粘结剂的缺陷，研究团队提出了软硬段协同的设计策略，开发出新型粘结剂PNO。该粘结剂通过羟基封端聚丁二烯丙烯腈与异氰酸酯封端聚丁二烯的缩聚反应合成，将高柔性聚丁二烯软段与含氨基甲酸酯基团的硬段结合。

软段保证了粘结剂在非极性溶剂中的良好溶解性和加工性，使电解质膜和电极能够通过湿法工艺顺利制备。硬段中的氨基甲酸酯基团能够形成动态氢键网络。氢键不仅存在于粘结剂分子链之间，还存在于粘结剂与硫化物电解质、正极颗粒表面之间。这种动态氢键网络具有两个关键特性。一是显著增强粘结剂的内聚力和界面粘结力，提高电解质膜和电极的机械强度。二是能够通过氢键的断裂和重组有效耗散应力，避免应力集中导致的结构破坏。

研究团队通过对比实验验证了氨基甲酸酯基团的优越性。酰胺和脲基基团虽然也能形成氢键，但会与硫化物电解质发生化学反应，破坏其晶体结构并降低离子电导率。而氨基甲酸酯基团与硫化物电解质具有优异的化学兼容性，不会引发副反应。这一发现为硫化物全固态电池粘结剂的分子设计提供了重要指导。

三. 超越传统粘结剂的性能表现

系统的性能测试表明，PNO粘结剂在机械性能、加工性能和电化学性能方面均全面超越传统丁腈橡胶粘结剂。

1在机械性能方面

PNO粘结剂薄膜的拉伸强度达到2.7MPa，韧性达到15.1MJ/m3，分别是丁腈橡胶粘结剂的6倍和3倍。循环拉伸测试显示，经过100次循环后，PNO粘结剂的耗散能保留率高达94%，而丁腈橡胶粘结剂仅为13%。这表明PNO粘结剂具有优异的抗疲劳性能和持续应力耗散能力，能够在长期循环过程中保持粘结剂网络的完整性。

2在加工性能方面

PNO粘结剂能够制备出厚度仅为30μm的自支撑硫化物电解质膜，面积可达50×15cm，并且具有良好的柔韧性和可卷绕性。而使用丁腈橡胶粘结剂无法制备自支撑电解质膜，必须依赖聚对苯二甲酸乙二醇酯支撑层，且容易出现开裂。同时，PNO粘结剂能够制备负载量高达30mg/cm²的高镍NCM811正极。扫描电子显微镜观察显示，使用PNO粘结剂的电解质膜和正极结构致密均匀，无明显针孔和裂纹，粘结剂分散良好。而使用丁腈橡胶粘结剂的样品存在明显的粘结剂团聚、针孔和裂纹。

3在电化学性能方面

使用PNO粘结剂的锂铟对称电池能够稳定循环超过3000小时，临界电流密度达到4.3mA/cm²。而使用丁腈橡胶粘结剂的对称电池在循环140小时后即发生内部短路。NCM811/Li-In全电池在1C倍率下循环1000次后，容量保持率高达97.5%，而丁腈橡胶粘结剂电池仅为22.4%。使用硅基负极的全电池在0.5C倍率下循环400次后，容量保持率达到81.5%。

更重要的是，结合30μm薄电解质膜和31.8mg/cm²高负载正极，研究团队成功制备出能量密度高达384Wh/kg的硫化物全固态电池。这一能量密度远超当前主流锂离子电池，达到了实用化要求。此外，使用PNO粘结剂的软包电池在0.3mA/cm²电流密度下循环200次后，容量保持率达到85.1%，验证了该技术在规模化生产中的可行性。

图2 (a)0.2C倍率下循环300次后，采用PNO和NBR粘结剂的NCM811/Li-In电池阻抗分析；(b)NBR粘结剂、(c)PNO粘结剂体系在相同条件下正极-电解质界面及LPSC电解质膜的典型截面SEM图像；(d)PNO粘结剂、(e)NBR粘结剂体系NCM811/Li-In电池第1至100次循环过程的COMSOL应力模拟图；(f)PNO粘结剂、(g)NBR粘结剂体系NCM811/Li-In全固态锂电池循环过程中的电压曲线与应力变化。

四. 产业化应用价值

这项研究成果对硫化物全固态电池的产业化具有里程碑式的意义。

解决湿法工艺的粘结剂适配难题

PNO粘结剂与非极性溶剂和硫化物电解质均具有优异的兼容性，同时具备足够的机械强度和粘结力，使湿法工艺能够真正应用于硫化物全固态电池的规模化生产。这一突破消除了硫化物全固态电池产业化的最大材料障碍。

突破高能量密度硫化物全固态电池的制备瓶颈

薄型电解质膜和高负载正极是实现高能量密度的两个关键因素。传统粘结剂无法同时满足这两个要求，而PNO粘结剂成功实现了30μm自支撑电解质膜和30mg/cm²高负载正极的制备，将硫化物全固态电池的能量密度提升至384Wh/kg。这一能量密度水平能够满足新能源汽车对长续航里程的需求。

提高了硫化物全固态电池的循环寿命

动态氢键网络的持续应力耗散能力，有效抑制了加工和循环过程中的结构破坏和界面劣化，使电池循环寿命提升了一个数量级。长循环寿命是全固态电池商业化应用的必要条件，能够大幅降低电池的使用成本。

兼容现有锂电池生产设备

PNO粘结剂的湿法工艺与传统锂电池的卷对卷涂布产线完全兼容，无需大规模改造生产设备，可大幅降低产业化成本和风险。这使得现有锂电池企业能够快速转型生产全固态电池，加速产业升级。

适配下一代电池材料体系

PNO粘结剂与高镍正极和硅基负极均具有良好的兼容性，能够充分发挥这些高比能材料的优势，为未来更高能量密度电池的开发奠定了基础。随着锂金属负极技术的成熟，基于PNO粘结剂的硫化物全固态电池能量密度有望进一步提升至500Wh/kg以上。

五. 总结与展望

青能所研究团队开发的基于动态氢键网络的PNO粘结剂，通过软硬段协同的分子设计，成功解决了硫化物全固态电池湿法工艺的核心难题。该粘结剂在机械性能、加工性能和电化学性能方面均表现出显著优势，实现了384Wh/kg高能量密度和1000次长循环的硫化物全固态电池制备，并通过软包电池验证了其规模化应用潜力。

这项工作为硫化物全固态电池的产业化提供了关键材料支撑，推动全固态电池从实验室研究走向工业化生产。未来，随着粘结剂性能的进一步优化和生产工艺的不断成熟，硫化物全固态电池有望在未来几年内实现商业化应用，为新能源汽车和储能产业带来革命性变革。

光年固科

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