麻省理工Nat. Commun.：基于无机水玻璃粘结剂的结构陶瓷电池

结构储能旨在通过将机械载荷转移到多功能材料实现车辆级能量密度，其中粘结剂性能是开发刚性多功能储能材料的关键。三硅酸钠水玻璃是地球上含量丰富的无机粘结剂，可与多种材料结合并具有极高的化学和温度稳定性。

图1. 使用硅酸盐水玻璃作为多功能粘结剂

在此，美国麻省理工学院Angela M. Belcher, Alan Ransil展示了在基于叠层的制造系统中使用这种水玻璃作为电极粘结剂来生产结构陶瓷电池（SCB），克服了粘附和离子传输之间的多功能权衡。这种地质聚合物表现出多种化学性质，为未来优化以提高其粘结和碱传输性能提供了可能性。

三硅酸钠水玻璃在地球上含量丰富、可溶于水，并且可以在没有有毒前体的情况下制备，因此比常用的含氟聚合物更加环保。此外，还可以作为商品化学品大规模廉价生产。

图2. 基于叠层的制造过程

因此，在电解液溶剂的存在下，这种大块粘结剂保持大于50 GPa的杨氏模量，而水玻璃基电极在数百次电化学循环中具有高倍率性能和稳定的放电容量。此外，粘结剂的温度稳定性使得在叠层成形之后能够对整个电池堆进行热处理，以便生产刚性的承载部件。

由此制造的结构电池表现出令人印象深刻的多功能性能，其无封装电池堆栈能量密度为93.9 Wh/kg，大大超过了之前公开报道的结构电池材料，此外，拉伸模量为1.4 GPa。这种新型粘结剂材料为使用无机地质聚合物粘结剂生产结构电池开辟了新途径。

图3. 结构陶瓷电池 (SCB) 全电池循环测试

Structural ceramic batteries using an earth-abundant inorganic waterglass binder, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-26801-y