上海交通大学Joule：解决硅负极膨胀的水溶性聚合物粘合剂

【引言】

在锂离子电池中，硅（Si）被认为是最有前景的阳极材料。然而，在充放电循环期间剧烈的体积变化，导致不稳定的固体电解质界面（SEI）以及差的循环稳定性。为了改善硅（Si）的循环稳定性，研究人员采取了一系列措施，如：多孔结构化、纳米结构化以及分层结构化。尽管如此，一些技术挑战仍然限制了其商业化。设计并合成的水溶性聚合物粘合剂（PAA-P（HEA-co-DMA）），具有更好的电解质润湿性，另外，其多重网络结构缓冲了Si微粒（Si-MP）体积变化引起的应变。因而，显著提高了循环稳定性和倍率性能。因此本文设计并合成了一种新的粘结剂，为了Si负极在充放电过程的结构转变提供了解决方案。

【成果简介】

近日，上海交通大学王久林副教授和杨军教授（通讯作者）等人，设计并合成了水溶性聚合物粘合剂（PAA-P（HEA-co-DMA）），显著提高了电极的循环稳定性和倍率性能。并在Joule上发表了题为“Silicon Microparticle Anodes with Self-Healing Multiple Network Binder”的文章。上述溶性聚合物粘合剂（PAA-P（HEA-co-DMA）），其多重的网络结构由刚柔结合的链和键组成，并且在电极中具有特殊的自愈能力，不仅提供了足够的机械支撑，而且缓冲了由Si-MP的体积变化引起的应变。这项工作为提高电极循环稳定性和促进Si阳极商业化开辟了新的途径。

【图文简介】

图 1 粘结剂的组成与表征

（A）共聚物的结构式及其与Si的相互作用示意图；

（B）P（HEA-co-DMA）和PAA的化学结构及其复合物的弹簧膨胀剂模型示意图；

（C）PAA，P（HEA-co-DMA）及其混合物的衰减全反射-FTIR光谱图；

（D）0.2mV·s^-1下， PAA-P（HEA-co-DMA）：Super P = 1：1组成的电极CV曲线图。

图 2 不同粘结剂的SiMP电极的电化学性能

（A）PAA-P（HEA-co-DMA）和PAA循环性能图；

（B）PAA-P（HEA-co-DMA）长期循环性能图；

（C）不同面积质量载荷的循环性能图；

（D）PAA-P（HEA-co-DMA）和PAA倍率性能图；

（E）高电流密度下PAA-P（HEA-co-DMA）的循环性能图；

（F）Si-MP-NCM全电池的循环性能以及库伦效率图。

图 3 Si-MP电极循环前后的SEM图像

（A）循环前使用PAA粘结剂SEM图；

（B）循环前使用PAA-P（HEA-co-DMA）粘结剂SEM图；

（C）和（E）循环100圈后使用PAA粘结剂SEM图；

（D）和（F）循环100圈后使用PAA-P（HEA-co-DMA）粘结剂SEM图。

图 4 PAA-P（HEA-co-DMA）粘合剂的作用机理

（A）PAA-P（HEA-co-DMA）膜（42.9 Ω）和PAA膜（50.0 Ω）上LiPF₆/EC-DMC-FEC电解质的接触角图；

（B）PAA-P（HEA-co-DMA）（红色）和PAA（黑色）线性拟合阳极和阴极峰值电流与Si-MP电极的扫描速率。

（C）PAA-P（HEA-co-DMA）粘结剂交流阻抗图；

（D）PAA粘合剂交流阻抗图。

图 5 不同粘合剂的Si-MP负极的示意图

（A）原始电极的示意图；

（B）第1次锂化后的示意图；

（C）循环过后的示意图；

（D）是C中红圈的放大图。

【结论】

本文提出了一种新的水溶性聚合物粘合剂（PAA-P（HEA-co-DMA））的合成方法。该粘合剂具有自修复多重网络结构，能够缓冲Si微粒（Si-MP）体积变化引起的应变，使得电极材料实现卓越的循环稳定性和倍率性能。这项研究不仅有助于为下一代低成本和高能量存储系统构建稳定的Si-MP阳极，而且为设计用于其他高容量电极的粘结剂设计了一种新的方式。

文献链接：“ Silicon Microparticle Anodes with Self-Healing Multiple Network Binder”(Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.02.012)

注：本文由新能源前线 Materials_1219  编辑整理，仅供学术交流。