上海交通大學Joule：解決硅負極膨脹的水溶性聚合物粘合劑

【引言】

在鋰離子電池中，硅（Si）被認為是最有前景的陽極材料。然而，在充放電循環期間劇烈的體積變化，導致不穩定的固體電解質界面（SEI）以及差的循環穩定性。為了改善硅（Si）的循環穩定性，研究人員采取了一系列措施，如：多孔結構化、納米結構化以及分層結構化。盡管如此，一些技術挑戰仍然限制了其商業化。設計并合成的水溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA）），具有更好的電解質潤濕性，另外，其多重網絡結構緩沖了Si微粒（Si-MP）體積變化引起的應變。因而，顯著提高了循環穩定性和倍率性能。因此本文設計并合成了一種新的粘結劑，為了Si負極在充放電過程的結構轉變提供了解決方案。

【成果簡介】

近日，上海交通大學王久林副教授和楊軍教授（通訊作者）等人，設計并合成了水溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA）），顯著提高了電極的循環穩定性和倍率性能。并在Joule上發表了題為“Silicon Microparticle Anodes with Self-Healing Multiple Network Binder”的文章。上述溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA）），其多重的網絡結構由剛柔結合的鏈和鍵組成，并且在電極中具有特殊的自愈能力，不僅提供了足夠的機械支撐，而且緩沖了由Si-MP的體積變化引起的應變。這項工作為提高電極循環穩定性和促進Si陽極商業化開辟了新的途徑。

【圖文簡介】

圖?1 粘結劑的組成與表征

（A）共聚物的結構式及其與Si的相互作用示意圖；

（B）P（HEA-co-DMA）和PAA的化學結構及其復合物的彈簧膨脹劑模型示意圖；

（C）PAA，P（HEA-co-DMA）及其混合物的衰減全反射-FTIR光譜圖；

（D）0.2mV·s^-1下， PAA-P（HEA-co-DMA）：Super P = 1：1組成的電極CV曲線圖。

圖?2 不同粘結劑的SiMP電極的電化學性能

（A）PAA-P（HEA-co-DMA）和PAA循環性能圖；

（B）PAA-P（HEA-co-DMA）長期循環性能圖；

（C）不同面積質量載荷的循環性能圖；

（D）PAA-P（HEA-co-DMA）和PAA倍率性能圖；

（E）高電流密度下PAA-P（HEA-co-DMA）的循環性能圖；

（F）Si-MP-NCM全電池的循環性能以及庫倫效率圖。

圖?3 Si-MP電極循環前后的SEM圖像

（A）循環前使用PAA粘結劑SEM圖；

（B）循環前使用PAA-P（HEA-co-DMA）粘結劑SEM圖；

（C）和（E）循環100圈后使用PAA粘結劑SEM圖；

（D）和（F）循環100圈后使用PAA-P（HEA-co-DMA）粘結劑SEM圖。

圖?4 PAA-P（HEA-co-DMA）粘合劑的作用機理

（A）PAA-P（HEA-co-DMA）膜（42.9 Ω）和PAA膜（50.0 Ω）上LiPF₆/EC-DMC-FEC電解質的接觸角圖；

（B）PAA-P（HEA-co-DMA）（紅色）和PAA（黑色）線性擬合陽極和陰極峰值電流與Si-MP電極的掃描速率。

（C）PAA-P（HEA-co-DMA）粘結劑交流阻抗圖；

（D）PAA粘合劑交流阻抗圖。

圖?5 不同粘合劑的Si-MP負極的示意圖

（A）原始電極的示意圖；

（B）第1次鋰化后的示意圖；

（C）循環過后的示意圖；

（D）是C中紅圈的放大圖。

【結論】

本文提出了一種新的水溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA））的合成方法。該粘合劑具有自修復多重網絡結構，能夠緩沖Si微粒（Si-MP）體積變化引起的應變，使得電極材料實現卓越的循環穩定性和倍率性能。這項研究不僅有助于為下一代低成本和高能量存儲系統構建穩定的Si-MP陽極，而且為設計用于其他高容量電極的粘結劑設計了一種新的方式。

文獻鏈接：“ Silicon Microparticle Anodes with Self-Healing Multiple Network Binder”(Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.012)。

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