AEM:多功能粘结剂助力高效高载量硅负极

北2北

2020-04-09

使用高容量的电极材料对于开发具有高能量密度的锂离子电池体系至关重要。单质Si就凭借着其超高的理论比容量和丰富的原料来源等优势而成为储能材料的新宠。然而，硅负极在电化学循环中会发生巨大的体积膨胀造成库伦效率低下、电极粉化等问题，这使得其商品化应用遥遥无期。经过多年的探索，人们发现发现可以开发新型的粘结剂来改善硅负极的电化学性能。有鉴于此，西南科技大学Yaping Zhang、浙江大学Min Ling、中南大学Junchao Zheng以及广东工业大学Zhan Lin等报道了一种新型的粘结剂锂化策略能够高面载量下实现硅负极的高库伦效率。

本文要点

1) 研究人员通过利用氢键效应对聚丙烯酸(P-LiPAA)和Nafion(P-LiNF)进行部分锂化构建了一种刚柔并济的三官能团粘结剂网络（N-P-LiPN）。N-P-LiPN粘结剂网络中的刚性较强的P-LiPAA链上含有丰富的羧基官能团，除了能够提供足够的吸附强度外还可以保持机械强度的稳定；而柔软的N-P-LiPN则能够适应Si纳米粒子在电化学变化中的体积膨胀。因此，N-P-LiPN网络兼具优异的机械性能和良好的机械强度。

2) 根据聚合物的离子电导理论，聚合物中的离子迁移是通过溶剂化的离子在聚合物链之间的迁移实现的。在经过部分锂化以后，锂离子可以通过N-P-LiPN的蠕动运动而转移到羧基或磺酸基等官能团上，因而其迁移能力得到了大幅提高。这就赋予了整体粘结剂网络良好的离子电导能力。此外，该粘结剂的两个组分都与水具有良好的兼容性，这使得其能够在实际的工业应用中降低成本。

3) 研究人员对使用N-P-LiPN粘结剂的硅负极的电化学性能进行了考察。硅负极的首周库伦效率提高到了93.18%，在2C的高倍率下的可逆比容量高达2021mAh/g，而且能够在0.2C下实现长达500周的稳定循环。此外，研究人员还借助这种优异的功能化粘结剂实现了面载量高达28.88mg/cm²、面容量高达49.59mAh/cm²的高载量Si负极。这是首次有关简单的粘结剂工程实现高库仑效率和高载量Si负极的报道。

Zeheng Li et al, Silicon Anode with High Initial Coulombic Efficiency by Modulated Trifunctional Binder for High‐Areal‐Capacity Lithium‐Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 2020

DOI: 10.1002/aenm.201903110

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903110