锂硫电池面临的关键挑战包括多硫化物穿梭效应、缓慢的反应动力学、硫正极体积扩展包以及易燃性。本研究首次提出通过将天然多糖Sa-Son种子胶(SG)与氨基磺酸(ASA)交联形成水性磺化SG-SO₃(SG-SO₃)，以缓解锂硫电池中的这些问题。SG-SO₃粘结剂含有丰富的强极性基团(-SO₃H和-NH₂)，其中-SO₃H基团通过Li-O相互作用提供强大的化学锚定能力，同时促进快速的Li⁺传输路径；而富电子的-NH2基团作为亲核中心有效降低了锂离子迁移的能垒2并催化多硫化物的动力学转化。此外，SG-SO₃形成的柔性交联网络可有效适应循环过程中的体积变化，保持电极结构完整性。因此，采用该粘结剂的正极在0.5C倍率下可提供1368.0 mAh g⁻¹的初始容量 并在4C倍率下循环2000次后仍保持455.8 mAh g⁻¹的容量 其容量衰减率仅为每循环0.01%，展现出卓越的倍率能力和长期循环稳定性。尤为重要的是，SG‑SO₃中的极性基团能够促进膨胀碳化层的形成，并在燃烧过程中释放惰性气体，从而使电极具备优异的阻燃性能。总之，本研究提出的"通过极性基团交联改性天然骨架以实现阻燃、锚定和催化"这一集成设计策略，为开发具有高安全性和长循环寿命的实用化锂硫电池提供了关键粘结剂解决方案。
图形摘要
引言
在全球迈向碳中和与绿色可持续发展的背景下，开发具有高比能、环境友好和低成本特性的新一代储能技术，已成为推动大规模储能应用的关键路径[1]。锂硫电池凭借其高理论比容量（1675 mAh g⁻¹）、高能量密度（2600 瓦时 克⁻¹），以及原料丰富且成本低廉等优势，被视为解决现有电池能量密度不足与资源短缺问题的核心技术路线，对推动储能产业可持续发展具有重要战略意义[2][3]。然而，锂硫电池的商业化进程仍受多重固有缺陷制约，具体表现为： 首先，在锂离子嵌入/脱嵌过程中，多硫化物的穿梭效应导致活性物质流失，引发电池容量快速衰减[4]；其次，硫的电导率较差，电化学反应过程中缓慢的动力学转化与锂离子迁移难以满足高功率场景需求[5]；此外，充放电循环中超过80%的体积膨胀可能导致电极开裂[6]；最后需指出的是，在锂负极侧，不均匀的锂剥离与沉积会促进枝晶的形成与生长，进而引发电池短路并导致安全隐患[7]。 为突破这些瓶颈，研究者们提出了多种优化策略，包括正极结构设计、电解液调控、负极保护以及粘结剂与隔膜的功能化改性[3], [7], [8], [9]。然而这些策略仍存在若干局限，亟待研究者开展更深入的探索与优化。以正极结构设计为例，多孔结构设计虽能缓解体积膨胀并一定程度上抑制多硫化物的穿梭效应，但通常依赖于复杂的前驱体设计与多步合成工艺，导致制备成本高昂且难以大规模应用[9]；电解质调控通常需要引入高浓度锂盐或多种功能添加剂以改善多硫化锂的溶解与界面稳定性，但不可避免地会带来粘度增加、成本上升甚至副反应加剧等问题[10]。负极保护策略通过构建稳定的界面保护层或三维集流体，可缓冲体积变化并抑制锂枝晶生长，但对多硫化物穿梭的抑制大多仍停留在被动阻挡层面，难以从源头减少多硫化物的生成与迁移[11];同时，在隔膜功能化修饰方面，引入非活性材料会通过增加隔膜的质量和厚度降低电池的能量密度[12]，且易引发颗粒团聚现象，导致孔隙堵塞、界面相容性差及涂层剥离等问题，从而间接加剧电池内阻上升与容量衰减[13]，严重制约电池的能量性能与实际应用进展。 相比之下，粘合剂的功能化改性被认为是一种更具前景的方法。该方法在工艺简易性、成本可控性和总能量密度保持率方面具有显著优势，因为它无需依赖复杂的结构设计、昂贵的添加剂材料或大幅增加非活性组分占比[14]。众所周知，目前广泛使用的传统粘合剂如聚偏氟乙烯（PVDF）需使用有毒溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP），不仅对环境与工艺安全性构成挑战，还缺乏对多硫化物的锚定能力以及必要的阻燃性能[15]。另一商用粘合剂羧甲基纤维素（CMC）虽为水性体系，但硬度高、脆性大，易因循环过程中的体积变化导致开裂，同样不具备阻燃功能[16]。因此，拓展锂硫电池实际应用的关键研究方向之一，是开发兼具强吸附性、快速转化动力学、优异机械适应性及本征阻燃特性的新型多功能粘结剂。相较于PVDF粘结剂，水性粘结剂在电极制备过程中无需使用NMP等有毒溶剂，其生产工艺同时避免了含氟聚合物合成所伴随的高污染与高能耗问题。 由于其可再生性、环境友好性以及富含羟基、羧基和氨基等可调节官能团的分子结构，生物质衍生粘结剂近年来在锂硫电池领域引起了广泛关注[17]。研究人员通过定向分子设计从多个维度对生物质粘结剂进行了功能化改造，这在一定程度上缓解了锂硫电池中的若干关键问题。例如，为提高粘结剂的机械柔性和粘附强度，一类研究聚焦于引入柔性链段或构建物理/化学交联网络。这有助于延缓电极结构坍塌并抑制硫正极在循环过程中的体积膨胀[18]。另一类研究则通过在生物质骨架中引入极性基团，以增强其与多硫化物的化学相互作用，从而抑制多硫化物的溶解和穿梭效应[19]。此外，部分研究尝试引入无机组分或催化活性位点以加速多硫化物的氧化还原转化动力学，从而提升倍率性能和循环稳定性[20]。%%尽管这些改性方案取得了成效，但大多数生物质粘结剂仍遵循单一功能优化的设计理念，这使得同时满足安全性、机械强度、多硫化物锚定及反应动力学调控等多项需求具有挑战性。%% %%因此，开发一种兼具强吸附性、快速转化动力学、高机械适应性、本征安全性、简易制备工艺及可控成本的新型功能化生物质粘结剂，仍是推动锂硫电池实际应用进程中亟待解决的关键问题。%% 因此，在本研究中，可再生生物质天然SG与氨基磺酸基团交联制备了水溶性磺化SG-SO₃，如图1所示 %% a.通过ASA与SG多羟基结构间的磺化交联反应，成功将更高极性且数量更多的-SO₃H和-NH₂基团引入SG骨架，形成三维交联网络，从而构建出兼具化学锚定、催化转化与结构缓冲功能的多功能生物质粘结剂。该新型粘结剂展现出以下显著优势（图1(i) 高极性基团（如-SO₃H和-NH₂）可通过强化学相互作用更高效地锚定多硫化物，从而抑制其穿梭效应并提升反应动力学与锂离子传输性能[21]；%% (ii) 交联网络结构赋予粘合剂优异的柔韧性和粘附强度，能有效抑制硫正极在循环过程中的体积膨胀，维持电极结构完整性[22]；%% (iii) -SO₃H与-NH₂基团可在电池意外起火时释放阻燃物质，促进更厚碳化层的形成，使电极具备本征阻燃特性；同时通过阻碍多硫化物穿梭，可减少锂枝晶的形成，从而全面提升电池安全性[23]。b): (i) Higher polar groups like ‑SO₃H and ‑NH₂ can more efficiently anchor polysulfides through strong chemical interactions, minimizing their shuttle effect and increasing reaction kinetics and lithium-ion transport[21]; (ii) The cross-linked network provides the binder with excellent flexibility and adhesion strength, effectively preventing the sulfur cathode's volume from expanding during cycling and preserving the electrode's structural integrity[22]; (iii) The ‑SO₃H group and ‑NH₂ groups can release gas-impeding substances when the battery accidentally catches fire, and promote the formation of a thicker carbonized layer, thereby endowing the electrode with inherent flame-retardant properties, and simultaneously, by preventing polysulfide shuttling, the formation of lithium dendrites is decreased, hence improving overall battery safety[23]. 基于上述多功能协同设计，采用SG-SO₃粘结剂的锂硫电池展现出卓越的电化学性能。在4 C电流密度下循环2000次后，仍保持455.8毫安时·克⁻¹的容量，且在4.6 毫克 cm⁻²。本研究提出了一种新颖、生态友好且多功能的水性粘合剂设计方法，用于制备具有高能量密度、长循环寿命和安全性的锂硫电池。
