Joule: 应用于微米硅负极并具有自愈合功能的多级网络结构粘结剂

【引言】

硅具有很高的理论比容量和较低的氧化还原电极电势，被认为是下一代高能量密度锂离子电池最具潜力的负极材料之一。然而，它在循环过程中严重的体积变化，使电极结构松动和电子导电变差，并不断破坏电极表面的SEI膜和消耗电解液，从而降低了电池的循环效率和使用寿命。为了解决这些问题，许多先前的研究工作大多集中在设计不同结构的硅材料，如多孔化，纳米化以及多层复合，以降低活性相的体积效应，从而提高电池的循环稳定性。然而，这些策略很难甚至不可能实现硅材料的廉价以及大规模生产。

【成果简介】

近日，上海交通大学化学化工学院杨军教授研究团队在Cell Press旗下的能源领域新刊Joule（https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.012）发表了题为“Silicon Microparticle Anodes with Self-Healing MultipleNetwork Binder”的文章。文中所设计的多级网络结构并带有自愈合功能的水系粘结剂(PAA-P(HEA-co-DMA))可以有效缓解微米硅电极在充放电过程中由于活性物质的体积变化引起的颗粒粉化和电子导电缺失现象，进而获得性能优异的硅基负极。

【图文导读】

图1：粘结剂的结构组成及表征

A 粘结剂的分子结构式以及与Si颗粒的作用力示意图；B 两组分的化学结构及二者相互作用以及它们复合物的弹簧模型；C 几种高分子的ATR-FTIR光谱；D PAA-P(HEA-co-DMA)电化学稳定性测试。

 图2：使用不同粘结剂的微米硅负极的电化学性能

A 循环性能；B 长循环性能；C 不同载量的电极循环性能；D倍率性能；E 大电流的循环性能；F 与NCM组装的全电池循环性能。

 图3：微米硅负极循环前后的SEM图

A，B和C，D分别为使用PAA和PAA-P(HEA-co-DMA)粘结剂的电极循环前和100圈后的SEM图；E，F分别为C，D图中方框部分的放大图。

【小结】

该论文从粘结剂的结构设计出发，合成了一种软-硬并举的具有多级网络结构的新型粘结剂，该聚合物具有一定的自愈合能力和优异的拉伸性能，可以有效地缓冲由于微米硅颗粒的体积变化而引起的应变，抑制硅颗粒在循环过程中的粉化，使微米级硅颗粒电极的电化学性能得到显著改善。在5 A/g的大电流下比容量仍有约1850 mAh/g，并具有优异的电化学可逆性。此外，该粘结剂也适用于微米级氧化硅负极材料，可在9 mAh/cm^2的高面积容量下可逆循环。该研究结果对发展具有强体积效应的高容量电极具有重要的参考价值。

能源学人将一如既往地欢迎读者踊跃投稿！

投稿邮箱：[e-mail]

官方微信:ultrapower7

声明：

1.本文主要参考以上所列文献，文字、图片和视频仅用于对文献作者工作的介绍、评论，不得作为任何商业用途。

2.本文版权归能源学人工作室所有，欢迎转载，但不得删除文章中一切内容！

3.因学识所限，难免有所错误和疏漏，恳请批评指正。