Hydrogen-free cyclized polyacrylonitrile binder enables thermally robust lithium-ion batteries
陈凯，张典，姜丰，沈乃潞，闫小辉，任珂锋，沈馨*，陈伦刚，刘鹤*，王法星，彭生杰，吴宇平，程新兵*
Keywords: Lithium-ion battery; Thermal runaway; Hydrogen; Binder; Cyclized polyacrylonitrile
DOI: 10.1016/j.partic.2026.05.005
锂离子电池热失控过程中产生的气体含有大量可燃性组分，其中氢气占比高且可燃下限较低，致使热失控气体具有较高的爆燃风险。粘结剂分解是氢气的重要来源之一，但由于其在电池材料中的质量占比较低而常被忽视。值得注意的是，粘结剂分解发生在锂离子电池热失控的中后期，此时反应速率较快，导致抑制氢气产生的措施难以奏效。此外，在大规模储能系统中，粘结剂分解所贡献的氢气量不容忽视。因此，设计热稳定的粘结剂以抑制氢气产生，对于提升锂离子电池的安全性具有重要意义。然而，目前关于粘结剂分子结构与其氢气产生机制之间的内在关联仍缺乏深入研究，且尚无明确的粘结剂材料设计思路以指导氢气抑制策略。
粘结剂分解产生氢气的机制在于其分子结构中的含氢原子化学键在高温及活性锂作用下发生断裂，从而产生氢气。本研究提出将含氢原子化学键构建为环状分子结构，以提升粘结剂的热稳定性。在热失控过程中，具有环状分子结构的粘结剂保持结构稳定，避免因活性锂攻击而分解产生氢气。基于这一设计思路，本研究对石墨极片进行热处理，使其中初始的聚丙烯腈粘结剂转变为环化聚丙烯腈粘结剂。实验结果表明，使用环化聚丙烯腈粘结剂的锂离子电池热失控气体中氢气比例降低23%以上。此外，环化聚丙烯腈粘结剂在石墨表面形成交联网络结构，有效抑制负极和电解液之间的热失控反应。
环化程度是决定环化聚丙烯腈粘结剂对氢气产生和热失控反应抑制效果的关键参数。环化聚丙烯腈粘结剂的环化程度与热处理温度及时间呈正相关。环化程度越高，分子结构中形成环状结构的含氢原子化学键比例越高，对氢气产生的抑制效果越显著。同时，随着环化程度提升，环化聚丙烯腈在石墨表面形成的交联网络更加致密，大幅延后负极和电解液之间的热失控反应温度，并减少热量产生。
本文基于粘结剂分子结构和氢气产生机制之间的内在关联，提出了热稳定粘结剂的设计思路，为锂离子电池的安全性能优化提供了理论指导。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 115），收录于专刊“Special issue honoring the career contributions of Professor Yong Jin and Professor Zhiqing Yu”。客座编辑为加拿大西安大略大学祝京旭教授和清华大学张强教授。欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
通讯作者简介
程新兵，东南大学教授/博导，能源与环境学院副院长。长期从事高安全电化学能源工程，尤其涉及锂金属/硅基高比能电池、锂/钠离子储能电池、固态电池等相关工作。共发表SCI论文170余篇，他引44000余次，H因子88。以（共同）第一/通讯作者在Chem Rev、Nat Commun、Sci Adv、Chem、Joule、Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Energy Environ Sci等期刊发表论文70余篇。授权中国专利13项，主持国自然重大培育基金、江苏省杰出青年基金等。获得教育部青年长江学者、科睿唯安高被引学者、爱思唯尔中国高被引学者等荣誉，担任中国全固态电池产学研协同创新平台专家委员、中国颗粒学会能源颗粒材料专委会干事等职务。
供稿：原文作者
排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Chen, K., Zhang, D., Jiang, F., Shen, N.-L., Yan, X.-H., Ren, K.-F., . . . Cheng, X.-B. (2026). Hydrogen-free cyclized polyacrylonitrile binder enables thermally robust lithium-ion batteries. Particuology, 115, 25-34. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.05.005